NÁVRH A KONSTRUKCE QUADROKOPTÉRY

Transcription

1 Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta NÁVRH A KONSTRUKCE QUADROKOPTÉRY DIPLOMOVÁ PRÁCE Vedoucí práce: Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. Bc. Peter Bistrický

2 Rád by som na tomto mieste poďakoval kolegom z Brnenského hackerspace Base48, hlavne Richardovi Markovi a Hyňkovi Štetinovi, za rady, morálnu a technickú pomoc pri zapojení môjho quadu a taktiež za rady k správnemu nastaveniu našej 3D tlačiarne, bez ktorej by nevznikla kostra tohto zariadenia. Ďalej by som rád poďakoval môjmu vedúcemu práce Ing. Oldřichovi Trenzovi, Ph.D, za čas venovaný na usmernenie tejto práce, Adriane Homolovej a mojej sestre Eve Bistrickej za kontrolu gramatiky. Taktiež by som rád poďakoval aj všetkým známym, ktorí ma podporovali počas návrhu, testovania a vývoja.

3 Prehlasujem, že som túto diplomovú prácu riešil samostatne s použitím uvedenej literatúry. Brno

4 Abstract Bistrický, P. Design and implementation of quadrocopter. Diploma thesis. Brno, This thesis deals with the design and implementation quadrocopter type of multirotor vehicle. Thesis describes individual mechanical parts of the platform and their functions. Later in analyzes a range of specific components and their suitability for construction of the quadrocopter with focus on the transmission of visual information. It also describes how to design and solve fundamental problems which need to be settled during constructions. Key words Quadrocopter, Ardupilot, FPV, brushless outrunner, ESC, propeller, 3D printing Abstrakt Bistrický, P. Návrh a konstrukce quadrokoptéry. Diplomová práce. Brno, Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom a implementácie multirotoru typu quadrokopér. Popisuje jednotilivé mechanické časti tejto platformy a ich funkcie. Dalej rozoberá výber konkrétnych komponentov a ich vhodnosť pre konštrukciu quadrokoptéry zameranej na prenos vizuálnej informácie. Podrobne popisuje postup konštrukcie a riešenie základných problémov s ktorými sa je potrebné vysporiadať. Kľúčové slová Quadrokoptéra, Ardupilot, FPV, motory s rotačným plášťom, ESC, propeler, 3D tlač

5 Obsah 5 Obsah 1 Úvod a cieľ práce Úvod Práce Cieľ práce 6 2 Teoretický základ História Princíp letu Koptérov Prehľad bežne používaných typov koptérov Netypické konfigurácie koptérov 14 3 Analýza problému Konštrukčný koncept quadrokoptéry Napájanie Riadiaca jednotka koptéru (FC) Senzory Ovládanie Zachytávanie a prenos obrazu 27 4 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry Pohon Návrh kostry Riadiaca jednotka Komunikácia 48 5 Realizácia Tlač Konštrukcia Vzniknuté problémy Konfigurácia riadiacej jednotky Ladenie 58 6 Možnosti kompletnej automatizácie Záver Priestor pre zlepšenie Moje ďalšie plány s quadrokoptérom 64 8 Bibliografia A Schéma APM 2, B Výpočty z ecalc C Fotografie z konštrukcie koptéru... 83

6 Úvod a cieľ práce 6 1 ÚVOD A CIEĽ PRÁCE 1.1 ÚVOD PRÁCE Robotika v civilnej sfére zažíva v posledných rokoch veľký rozmach, či už sú to automatické vysávače typu roomla alebo 3D tlačiarne, ktoré umožňujú zhmotniť skoro každú predstavu. Medzi tieto roboty určite patria aj RC 1 modely. V armáde sú postupne viac a viac využívané na elimináciu rizika ohrozenia ľudských životov počas ochromenia nepriateľa. V civile nám prinášajú pohľady na miesta a z miest, ktoré by bez nich boli len veľmi ťažko dostupné. Komerčné riešenia týchto robotov sú ale nákladné a hobby riešenia zas často odrádzajú svojou komplexnosťou. 1.2 CIEĽ PRÁCE Cieľom práce je navrhnúť, zrealizovať a následne otestovať vlastný quadrokoptérický lietajúci systém za použitia bežne dostupných technológií. V práci objasním všeobecnú problematiku multi-koptérov. Vysvetlím princíp ich funkčnosti, popíšem ich konštrukciu a rozoberiem funkčnosť jednotlivých potrebných konštrukčných prvkov. Ďalej načrtnem možnosti praktického využitia takéhoto stroja, a to najmä na vzdialený prieskum a analýzu. Priblížim taktiež možnosti prenosu obrazovej informácie a problémy s tým vznikajúce. Na záver práce sa zameriam na možnosť plnej automatizácie takéhoto robota. V praktickej časti práce vykonám výber vhodných komponentov, zrealizujem konštrukciu ukážkového modelu quadrokoptéry a prvotné oživenie systému. Výsledkom práce je ucelený prehlaď funkčnosti a konštrukcie quadrokoptéry, ktorý je využiteľný ako odrazový mostík pri konštrukcii vlastného multirotoru. 1 RC- Ovladané rádiom, z anglického radio controlled

7 Teoretický základ 7 2 TEORETICKÝ ZÁKLAD Koptéry sú lietajúce stroje, udržujúce sa vo vzduchu pomocou rotácie jednej alebo viacerých vrtúľ. 2.1 HISTÓRIA Najstaršie historické záznamy o lietajúcich strojoch pochádzajú z Číny. V Európe sa medzi prvými zaoberal lietajúcimi strojmi v šestnástom storočí vizionár Leonardo da Vinci. Obrázok 1: Da Vinciho vízia helikoptéry2 Prvé dizajny s jednou vrtuľou trpeli pretáčaním, keďže nemali žiaden mechanizmus, ktorý by vyrovnával krútiaci moment. Významnejší úspech zaznamenali až bratia Jacques a Louis Breguet, keď v roku 1907 vytvoril variáciu vrtuľníku Gyroplane No 1. Prvý voľný let sa podaril francúzskemu vynálezcovi Paulovi Cornemu, ktoré ho vrtuľník mal dva protichodné rotory poháňané motorom Antoinette. 13 Novembra 1907 sa mu podarilo vzlietnuť do výšky 12 palcov nad zem na dobu 20. Na začiatku 20. storočia sa už popri prvých lietadlách začínajú objavovať aj koncepty quadrotorov. Rozširovať sa začali okolo roku Významnými prototypmi boli: 2 Prebrané z: =10

8 Teoretický základ OEHMICHEN NO.2 Etienne Oehmichen v roku 1920 experimentoval s dizajnom rotorového lietadla v roku Jeden z nich, návrh číslo dva, mal štyri motory a osem vrtúľ, všetky poháňané jedným motorom. Rám používal klasickú 4 ramennú konštrukciu z oceľových trubiek. Používal dvojlisté vrtule s nastaviteľným uhlom. 5 z nich zabezpečovalo zdvih, jedna zabáčanie a dve pohon vpred. Na svoju dobu bol tento rotor veľmi stabilný a dokonca sa mu s ním v neskorších rokoch podarilo preletieť vzdialenosť jedného kilometra. (Wikipedia contributors, 2013) DE BOTHEZAT QUADRATOR V Októbri roku 1922 Dr. George de Bothezat a Ivan Jerome vyvinuli ďalší multirotor. Tento používal 6 rotorov, z toho 4 na zdvih a dve malé na manévrovanie. Najvyššie sa s týmto strojom dostali len do výšky 5m. De Bothezat quadrotor bol poddimenzovaný, a tak s ním nikdy nedosiahli výraznejšie letové úspechy. (Wikipedia contributors, 2013) CONVERTAWINGS MODEL A QUADROTOR, 1956 Bola prvá skutočná quadrokoptéra, využívala 4rotory, poháňané dvoma motormi, s prídavnými krídlami pre let vpred. V 50.tych rokoch absolvovala veľa úspešných letov, no k jej komerčnému rozšíreniu nikdy nedošlo. (Wikipedia contributors, 2013) CURTISS-WRIGHT VZ-7 Bol prvý quadrotor, ktorý sa pohyboval pomocou regulácie otáčok každého zo svojich rotorov zvlášť. Vyvinutý bol pre Americkú armádu a svojou konštrukciu bol na pomedzí helikoptéry a jeep-u. (Wikipedia contributors, 2013) 2.2 PRINCÍP LETU KOPTÉROV Princíp letu všetkých druhov multikoptér je podobný. Hlavný rozdiel je v tom, ktoré vrtule znižujú, resp. zvyšujú svoje otáčky na dosiahnutie jedného z ôsmych typov pohybu OSY POHYBOV V PRIESTORE Lietajúce stroje sa pohybujú v priestore v troch osách. Poznáme ich ako otočenie (yaw), zdvih/stúpanie (pitch) a roll (naklonenie). Kombinácia týchto troch prvkov zaisťuje manévrovateľnosť. Základná teória týchto pohybov pochádza z lietadiel.

9 Teoretický základ 9 Obrázok 2: 3 osy manévrovateľnosti quadrokoptér 3 Otočenie umožňuje zmenu smeru vpravo alebo vľavo, podobne ako autu. Pohyb sa vykonáva okolo zvislej osi. U lietadiel na tento pohyb slúži chvostová klapka (ruddler). Stúpanie je pohyb, pri ktorom nos lietadla, prípadne multirotoru, smeruje nahor alebo nadol. Pohyb sa vykonáva okolo vodorovnej osi. U lietadiel sa na tento pohyb využívajú klapky na chvoste (elevators). Naklonenie, známe aj ako prevrat alebo vývrtka, je pohyb okolo vodorovnej osi tiahnucej sa od nosa k chvostu lietadla. Na jeho uskutočnenie sa využívajú klapky na krídlach (ailerons). (Gaurav, a iní, 2013) TYPY POHYBOV QUADROTORU Quadrokoptéry sú schopné vykonávať osem základných druhov pohybu a ustálenú levitáciu. Tú koptér docieli, keď sa dvojice protiľahlých vrtúľ otáčajú konštantými otáčkami. Medzi spomínaných 8 pohybov meniacich polohu koptéru patria: 3 Prebrané z:

10 Teoretický základ 10 Pohyb vpred a vzad (Obrázok 3 A, B) - pri týchto pohyboch sa menia otáčky predných a zadných motorov. Pohyb vľavo a v pravo (Obrázok 3 C, D) - v tomto prípade sa menia otáčky ľavých, respektíve pravých motorov a quadrokoptér sa natáča do strán. Pravá a ľavá rotácia (Obrázok 3 E, F) - nastáva pri súbežnej úprave rýchlostí motorov na diagonálach. Stúpanie a klesanie (Obrázok 3 G, H) - quadrokoptér tieto pohyby dosiahne zvyšovaním alebo znižovaním otáčok všetkých štyroch motorov zároveň.

11 Teoretický základ 11 Obrázok 3: Zakladné typy pohybu quadrokoptér4 2.3 PREHĽAD BEŽNE POUŽÍVANÝCH TYPOV KOPTÉROV Koptéry sa najčastejšie delia podľa počtu vrtúľ, ktoré pre svoj pohyb využívajú. Dá sa na ne vo všeobecnosti aplikovať pravidlo: Čím viac motorov, a teda vrtúľ použijeme, tým väčší zdvih môžeme dosiahnuť, no zároveň sa priamo úmerne zvýši aj spotreba. Pre získanie nadhľadu nad problematikou koptérov je dobré mať aspoň zbežný prehľad o najbežnejších konfiguráciach: 4 podklad z:

12 Teoretický základ TRIKOPTÉR Obrázok 4: Trikoptér 5 Konštrukcia je nenákladná obsahuje len 3 rotory Trpí nízkou stabilitou v nepriaznivých podmienkach Má potenciálne slabé miesto servo na natáčanie zadného rotoru Keďže má len 3 rotory, z toho len dva so stálou kolmou orientáciou, má nízky zdvih Z rovnakého dôvodu trpí aj krátkym doletom, keďže motory sa musia točiť neefektívne rýchlo Výhodou v porovnaní s väčšími koptérami je vrtkosť V prípade výpadku motora sa vo vzduchu neudrží 5 prebrané z:

13 Teoretický základ QUADROKOPTÉR Obrázok 5: Quadrokoptér 6 Konštrukčne je jednoduchší než trikoptér, keďže neobsahuje chvostové servo Oproti trikoptéram sú len o trochu ťažšie, no zdvih majú až o tretinu väčší Sú taktiež stabilnejšie, no na úkor manévrovateľnosti Stále ale nie sú schopné pri výpadku motora kontrolovane pristáť V-TAIL / Y4 Jedná sa o špeciálny druh quadrokoptéry Rotory sú rozložené v tvare písmena Y, s dvoma protichodnými na chvoste HEXAKOPTÉR Vzniká pridaním ďalších dvoch vrtúľ ku konštrukcií quadrokoptéry Hlavnou výhodou je schopnosť bezpečne pristáť aj v prípade poruchy motora Výrazne rastie zdvihová sila, mierne na úkor spotreby (možné kompenzovať použitím silnejšej batérie) Nevýhodou je veľkosť a stúpajúca cena výroby OCTOCOPTÉR Väčší, stabilnejší, silnejší ako hexa Špecialitou je, že zachováva plné letové schopnosti aj v prípade výpadku motora 6 Prebrané z:

14 Teoretický základ 14 Predošlý bod ich predurčuje na prenos cenných nákladov (drahá zrkadlovka) (2013) 2.4 NETYPICKÉ KONFIGURÁCIE KOPTÉROV Za zmienku ale stoja aj nezvyčajné, pokusné konfigurácie rotorov. Asi najzaujímavejší je takzvaný monokoptér, nazývaný aj gyropter, lietajúci pomocou jediného rotoru. Koncept napodobňuje padajúce javorové semiačko. O niečo menej zaujímavá, no stále dosť netypická, je koncepcia dualkoptera. Tento druh koptéru má nad sebou umiestnené dva protichodné rotory v turbíne. Riadi nimi výšku vzletu a vzájomných rozdielom ich otáčok aj otočenie. Pre plnú ovládateľnosť ho dopĺňajú dve klapky riadené servami, ich pohybmi ovláda náklony.

15 Analýza problému 15 3 ANALÝZA PROBLÉMU Samotná konštrukcia na báze štyroch rotorov pohybujúca sa priestorom vzájomnou zmenou otáčok nie je vo svojej podstate zložitá, no na prevedenie teórie do praxe je potrebné dôkladnejšie pochopiť jednotlivé konštrukčné prvky stroja. 3.1 KONŠTRUKČNÝ KONCEPT QUADROKOPTÉRY Quadrokoptéry bývajú najčastejšie konštruované do kríža, a to vo dvoch konfiguráciách, tými sú + a X. Obrázok 6: Vľavo konfigurácia +, vpravo konfigurácia X 7 Z obrázka je zreteľné, že hlavným rozdielom medzi nimi je počet rotorov smerujúcich vpred. Je vidno, že obe najčastejšie konfigurácie majú tvar kríža, ktorý je na koncoch jednotlivých ramien osadený pohonnými jednotkami. Tieto vykonávajú vždy v pároch opačné rotácie aby sa navzájom kompenzovali a nedochádzalo tak k svojvoľnej rotácii okolo zvislej osi. 7 Prebraté z:

16 Analýza problému 16 K pohonu sa zvyčajne používajú striedavé motory, no jednosmerné nie sú výnimkou. U jednosmerných motorov sa obvykle pre zvýšenie krútiaceho momentu používajú prevodovky. Nevýhodou jednosmerných motorov je nižšia účinnosť. V prospech ich použitia hovorí nízka cena týchto motorov a jednoduchšia výkonová elektronika. Striedavé motory majú väčšiu účinnosť a väčší krútiaci moment. Vrtule sa inštalujú priamo na hriadele striedavých motorov bez použitia prevodovky. Nevýhodou je zložitejšie riadenie striedavých motorov, ktoré vyžaduje použitie špeciálnych regulátorov a to navyšuje cenu celej konštrukcie. Motory quadrotorov sú osadené dvoma pravotočivými a dvoma ľavotočivým vrtuľami. Rovnako tak sa aj dva motory musi točiť v smere hodinových ručičiek a dva v protismere ELEKTRICKÉ MOTORY Elektrické motory používané v RC sa delia podľa podľa typu konštrukcie na brushless(striedavé)/brushed(jednosmerné). Jednosmerný motor má rotor tvorený elektromagnetom s dvoma pólmi a stator tvorený permanentným magnetom. Elektrický prúd je do cievok rotora privádzaný cez komutátor - rotačný prepínač. Komutátor mení polaritu elektrického prúdu 2 krát v každom cykle. Tým sa póly magnetu rotora priťahujú respektíve odtláčajú od magnetov statora. Konštrukcia komutátora zaisťuje, že sily pôsobiace na póly rotora majú stále rovnaký smer. V okamihu prepnutia polarity udržuje beh tohoto motora v správnom smere zotrvačnosť rotora. Počet pólov rotora ovplyvňuje plynulosť chodu motora a silu potrebnú na jeho rozbeh (záberový moment). Čím viac pólov motor má, tým plynulejší chod dosahuje. Trojfázový striedavý motor používa externý rotor s permanentnými magnetmi, tri fázy hnacích cievok, zariadenie pre snímanie polohy rotora a potrebnú hnaciu elektroniku. Cievky sú aktivované, jedna fáza po druhej, elektronickým regulátorom podľa pozície rotora. Na jej zistenie regulátor vysiela do vinutia motora vysokofrekvenčné impulzy a následne vyhodnocuje ich spätný odraz. (ThinkRC.com) Striedavé motory sú štandardom pre RC modely, a to hneď z niekoľkých dôvodov. V porovnaní s tradičnými motormi majú striedavé motory vyššiu rýchlosť, väčšiu silu, sú ľahké a majú väčšiu životnosť. Ich jedinou výraznou nevýhodou je, že na svoju prevádzku potrebujú zložitejšiu elektroniku. Na to sa využívajú elektronické regulátory otáčok (ďalej len ESC). Striedavé motory sa vyrábajú v dvoch prevedeniach, s pevným plášťom (inrunner) a s rotačným plášťom (outrunners). Motory s pevným plášťom majú rotačné jadro vložené vnútri tela motora rovnako ako štandardné feritové motory. Tento typ motorov je schopný dosiahnuť veľmi vysoké otáčky, ale ich krútiaci moment sily je malý. Zvyčajne sa používajú v kombinácii s prevodovkou, ktorá znižuje otáčky a zvyšuje tak krútiaci moment.

17 Analýza problému 17 V prípade motorov s rotačným plášťom sa naopak obal motora točí okolo svojho vinutia. Vo všeobecnosti sú magnety zapustené vo vonkajšom plášti. Je to jeden z dôvodov prečo dosahujú nižšie otáčky ako motory pevným plášťom. Na druhej strane zas dosahujú väčšie krútiace momenty. To ich predurčuje na použitie v modeloch multikoptér a RC modeloch vo všeobecnosti. (Reid, 2011) U motorov používaných v RC sa stretávame ešte s dvomi mätúcimi označeniami. Jedno býva priamo v názve motoru, napríklad Turnigy C2830, toto číslo označuje rozmery motoru. V tomto prípade bude mať motor priemer 28 mm a výšku 30 mm. Druhé číslo, s ktorým sa stretávame, je počet otáčok za minútu na 1 Volt na vstupe KV. Táto hodnota vypovedá o výkone motora, presnejšie o jeho krútiacom momente. V skratke - motor s nízkou hodnotou KV bude mať vinutie cievok z viac otáčok tenšieho drôtu, ktoré dokážu preniesť väčšie napätie no menší prúd. Vo výsledku to znamená, že málootáčkový motor má väčšiu silu a dokáže tak točiť väčším propelerom. (Electric Flight in Australia) ESC Keďže používané motory sú trojfázové, nie je možné ich zapojiť priamo na batériu, roztáčať ich musia ESC. ESC sú regulátory otáčok trojfázových elektrických motorov. Riadiace PPM signály získavajú buď z letového kontroléru alebo z priamo z RC prijímača. Dĺžka týchto signálov je rôzna podľa požadovaného výkonu motora. Zvyčajne to býva 1 ms, pre vypnutý stav a 2 ms pre plné otáčky. Frekvencia týchto signálov sa líši kontrolér od kontroléru, no odporúčaným minimom, ktoré by regulátory mali byť schopné spracovať je 200 Hz. Alternatívne sa dajú zohnať aj regulátory ovládané cez I2C zbernicu, no v súčasnosti ešte bývajú drahé. (Jespersen, 2012) Napájanie regulátorov zvyčajne zabezpečuje použitá hlavná batéria modelu. Výstupom regulátorov sú tri vodiče, ktoré sa zapájajú priamo do troch fáz motoru. Výmenou jedného z týchto vodičov za susedný dosiahneme rotáciu motoru do opačnej strany. Je dôležité dbať na správne nadimenzovanie regulátora. Musí byť totiž schopný pokryť prúdové požiadavky motora, v ideálnom prípade s miernou rezervou. Medzi doplnkové funkcie regulátorov patrí možnosť prehrať firmware alebo nastavenie za pomoci programovacej karty. Niektoré ESC zvyknú mať naviac BEC. To je obvod, ktorý z ECS vyvádza stabilné jednosmerné napájanie, spravidla 5V. Toto napájanie je použiteľné pre pohon servo motorov alebo napájanie riadiacej jednotky. Ďalšou úlohou BEC-u je napájať riadiacu jednotku a komunikačné rádio ešte chvíľu po tom, čo v hlavnej batérii nezostane dostatok energie pre napájanie motorov. Pri multirotoroch je táto vlastnosť zbytočná, no lietadlá sú tak stále ovládateľné a šikovní piloti s nimi dokážu bezpečne pristáť.

18 Analýza problému PROPELERY Motory samotné sú pre let nedostačujúce, je potrebné namontovať vrtule. Až tie v kombinácií s motorom zaobstarávajú pohon modelu. Vrtule sa vyrábajú v rôznych verziách líšiac sa priemerom, stúpaním, rotáciou, počtom listov a tvarom listov. Priemer vrtule priamo ovplyvňuje objem vzduchu, ktorý bude musieť motor presunúť. Sklon vrtule udáva vzdialenosť, ktorú vrtuľa prejde počas jednej celej otáčky. Všeobecne platí, že vrtuľa väčšieho priemeru má vyššiu účinnosť. Väčšie vrtule sú vhodné pre aplikácie, kde sa požaduje schopnosť vertikálneho stúpania alebo visenie, prípadne let s veľkým nákladom. Je to preto, že vztlak získaný otáčaním vrtule klesá výrazne smerom do stredu vrtule, kde má menšiu obvodovú rýchlosť. Potrebný vztlak je u jedno-vrtuľového pohonu s väčším priemerom vrtule k dispozícii na väčšej ploche obiehajúceho listu. Dôkazom zvýšenia účinnosti je rotor vrtuľníka. Rotor s veľkým priemerom dovolí vznášanie vrtuľníka aj s relatívne malým výkonom motora. Priemer vrtule je najdôležitejším parametrom, ktorý ovplyvňuje výkon motora. Výkon motora je úmerný štvrtej mocnine priemeru vrtule. Ak teda zväčšíme priemer vrtule na dvojnásobok, musíme zvýšiť výkon motora šestnásťkrát. Pri používaní silných nízkootáčkových motorov, napríklad 750KV, teda môžeme použiť veľké vrtule s priemerom aj 14 palcov. Naopak pri použití vysokootáčkových motorov vhodných na akrobaciu sme nútení použiť vrtule s malým priemerom. 3.2 NAPÁJANIE Najslabším miestom lietajúcich strojov všeobecne je zdroj energie. Koncepcia a usporiadanie quadrotorov napájaním vôbec nešetrí. V porovnaní s vrtuľníkom použitie väčšieho počtu vrtúľ s menším priemerom znižuje účinnosť motorov. Pre pohon elektrických motorov sa obvykle používajú moderné Li-Ion alebo Li-Pol akumulátory, ktoré sú ľahké, majú veľkú kapacitu a umožňujú veľké vybíjacie prúdy. 3.3 RIADIACA JEDNOTKA KOPTÉRU (FC) Jedná sa vlastne o elektronický mozog, ktorý umožňuje, aby mohol quadrokoptér lietať. Spracúva riadiace signály užívateľa, kombinuje ich so vstupmi zo senzorov a následne posiela signály na vstupy ESC.

19 Analýza problému 19 Kompletný návrh riadiacej jednotky koptéru by presahoval rámec tejto práce, navyše bolo by to len znovu objavovanie už vyvinutých a funkčných riešení. Pre možnosti ďalšieho vývoja koptéru a jeho postupnej zmeny na autonómne UAV 8 je najvhodnejšie vybrať otvorený kontrolér. Výber kontroléru je častokrát úzko spojený s firmwarom optimalizovaným na tento kontrolér, preto je dobré pri výbere zohľadňovať aj vlastnosti firmwaru. Kotroléry sa líšia svojimi schopnosťami a tie ovplyvňujú najmä použité senzory a procesor. Pre príklad si uveďme riešenie lacné a riešenie výkonné LACNÉ RIEŠENIE - HOBBYKING KK2 Je to nová verzia v komunite známej KK dosky, navrhnutej Rolfom Bakkeom. Jej hlavné vlastnosti sú: Nízka cena v čase písania tejto práce stojí 30 USD LCD Možnosť konfigurácie aj bez pripojeného notebooku Stabilizácia za pomoci Gyroskopu v kombinácií s akcelerometrom Podpora rôznych konfigurácií, od dualkoptéru po rôzne typy octokoptér Ako hlavný procesor je osadená 8-bitová Atmega324 PA. Akcelerometer je od Anolog Devices Inc. a gyroskop od InvenSense Inc. Použitá Atmega je dvojsečnou zbraňou, vďaka nej je kontrolér lacný a dostupný, ale zároveň sú ňou minimalizované možnosti rozšírenia. Pre jednoduchý koptér je ale viac ako vhodná a komunitou overená. Pridané LCD je tiež pútavým doplnkom. (Britt, 2012) VÝKONNÉ RIEŠENIE ATMEGA 2560 Výkonnejšie riešenia sú z pravidla založené na procesore Atmega 2560, ktorý je známy najmä z Arduino mega Vývojárov už natoľko nelimituje a ponúka im celú škálu pokročilých možností. Medzi vylepšenia oproti slabším Atmegám patrí hlavne pamäť 256 KB, z ktorej je 8 KB použitých na bootloader. Vnútorná EEPROM pamäť má 4 KB a SRAM 8 KB. Taktovacia frekvencia je 16 MHz. V porovnaní s Atmega 1280 ponúka naviac ďalšie dva 8bitové PWM kanály alebo prerušenia a wake up-y pri zmene pinov. (Šmíd, 2006) Je na nej postavených hneď niekoľko kontrolérov, ktoré sa líšia hlavne kvalitou použitých senzorov a s tým spojenou cenou, ktorá sa pohybuje od ~60 po ~180 USD za kontrolér. Ako príklad si môžeme uviesť: 8 Unmanned aerial vehicle Bezpiloté lietajúce stroje, kategoria zahrňuje rovnako koptéry, krídla, aj lietadlá

20 Analýza problému 20 Crius AIOP MultiWii/MegaPirateNG Ardupilot Mega 2,5 MultiWii PRO 2.0 Black Vortex Zaujímavosťou týchto kontrolérov je zväčša bezproblémová kompatibilita ich firmwarov. Napríklad MegaPirate NG funguje na všetkých hore uvedených kontroléroch. Požívateľ tak má nie len možnosť upraviť si firmware, ale má aj na výber, ktorý firmware si upraví INÉ (CLOSED SOURCE) RIEŠENIA Aj keď pre ciele tejto práce sú tieto riešenia nevhodné, nemôžeme nespomenúť riadiacu jednotku od Americkej firmy DJI s menom NAZA M a po novom už aj NAZA V2. Tieto riešenia neponúkajú možnosť úpravy firmware-u užívateľovi, tak isto sú aj pre pokusný vývoj neprimerane drahé, no napriek tomu je potrebné sa o nich zmieniť. Sú to totiž súčasné pomyselné etalóny stabilných, vyladených, spoľahlivých a bezproblémových letových kontrolérov. K ich presnosti a schopnosti vyrovnávať sa s nepriazňou prostredia sa žiaden z vyššie uvedených kontrolérov nepribližuje. Dokonale napríklad zvládajú let hexakoptéru v prípade poruchy jedného motora, čo sa dá považovať za skúšku ohňom pre kontrolér. 3.4 SENZORY Senzory využívané v koptéroch môžeme rozdeliť do dvoch kategórii. V prvej sú zastúpené senzory nevyhnutné pre let, medzi ktoré patria akcelerometre a gyroskopy, častokrát rozšírené magnetomerom tvoriace IMU 9. V druhej kategórii sú senzory skvalitňujúce letové vlastnosti alebo poskytujúce doplnkové funkcie potrebné pre UAV. Sem najčastejšie patria barometre a GPS. Pre UAV sú nimi sonar a optical flow senzor. 9 Inertial measurement unit - inerciálna meracia jednotka

21 Analýza problému AKCELEROMETER Akcelerometre sú senzory pre meranie zrýchlenia. Umožňujú meranie statického zrýchlenia vďaka všade na Zemi sa vyskytujúcemu tiažovému zrýchleniu. Toto zrýchlenie má veľkosť približne 9,81 ms-2 kolmú k zemskému povrchu. Ak akcelerometer nezrýchľuje a je nasmerovaný práve v smere pôsobenia gravitačného zrýchlenia, nameria hodnotu práve 1 g. Použitím trojice akcelerometrov kolmých na seba možno priamo merať náklon vo všetkých osiach, pretože výslednica zrýchlenia je konštantná - 1 g. Za predpokladu, že akcelerometer zrýchľuje, veľkosť tohto zrýchlenia sa sčíta s tiažovým zrýchlením a výslednica sa bude od hodnoty 1 g líšiť. Výpočet náklonu potom zlyháva. To je hlavnou nevýhodou merania naklonenia pomocou akcelerometrov. Prvou integráciou zrýchlenia získame rýchlosť quadrokoptéry, druhou integráciou zas dráhu resp. dosiahnutú absolútnu polohu v danej osi pohybu. Stabilizačný algoritmus sa ďalej musí starať o elimináciu reakčných momentov spôsobených rotujúcimi vrtuľami. Ak je výsledný reakčný moment pôsobiaci na quadrokoptéru nenulový, dochádza k rotácii okolo jeho zvislej osi a to vo veľkej miere sťažuje pilotovi riadenie. Preto je potrebné poznať veľkosť tejto uhlovej rýchlosti. K tomu sa ponúka použitie gyroskopu umiestneného vo zvislej osi robota. Často sa kombinácia akcelerometru s gyroskopom dopĺňa ešte magnetometrom. (Gábrlík, 2010) GYROSKOP Gyroskopy sú senzory pre meranie uhlovej rýchlosti. Poskytujú informácie o uhlových rýchlostiach okolo osí x, y a z. Ich integráciou teda môžeme získať uhly náklonu okolo daných os quadrotoru. Ak poznáme počiatočné podmienky, tak aj náklon voči zemskému povrchu. Nevýhodou je práve integrácia výstupnej hodnoty, ktorá býva zaťažená chybou a integráciou dochádza k jej rastu. Preto musí byť kladený dôraz na kalibráciu gyroskopu a vhodné filtrovanie výstupných dát. (Gábrlík, 2010) MAGNETOMETER Magnetický kompas je veľmi citlivý obvod, ktorý slúži k meraniu magnetického poľa. Skladá sa z troch senzorov, u ktorých sa využíva magnetorezistívny jav. Ten funguje na princípe zmeny odporu magnetického materiálu vplyvom pôsobenia slabého magnetického poľa. Určenie presného azimutu je otázkou kvalitného algoritmu spracovávaných dát zo senzorov. Tento údaj je vhodný pre stabilizáciu kurzu robota, keďže ide o absolútny údaj voči Zemi. (Gábrlík, 2010)

22 Analýza problému BAROMETER Barometer je prístroj na meranie atmosférického tlaku (tlaku vzduchu), používaný na určovanie počasia (pri vyššom tlaku býva obyčajne jasno, pri nízkom tlaku možno očakávať zmenu jasného počasia na daždivé). Jedná sa o špeciálny druh tlakomeru. Barometre môžu byť založené na rôznom princípe: Ortuťový barometer sa skladá z trubice na jednom konci zatavenej, naplnenej ortuťou, na ktorú na druhom otvorenom konci pôsobí atmosférický tlak. Podľa výšky ortuti pod zataveným koncom možno určiť veľkosť atmosférického tlaku. Pružinový barometer, nazývaný aj Aneroid pracuje na základe merania deformácie kovovej krabičky, ktorá má vo vnútri vákuum. Piezoodporový barometer - pri zmene tlaku dochádza v obvode k zmene elektrického odporu a tým sa mení aj meraný elektrický prúd ULTRAZVUKOVÉ SONARY Sonary sú senzory určené na meranie vzdialenosti k prekážke. Ultrazvukové sonary sú založené na meraní času medzi vyslaním akustického impulzu a okamihom prijatia odrazeného signálu od prekážky - echa. V lietajúcich systémoch sa využívajú na dva účely. Prvý je zisťovanie výšky a následná stabilizácia v danej výške. Tu sú dostatočne presné do vzdialenosti 5-7 m, vo väčších výškach býva už na túto činnosť využívaný barometer. Druhým je vyhľadávanie a vyhýbanie sa prekážkam. V tomto prípade smerujú zväčša vpred a je dostačujúce rozoznávať len prijatie/neprijatie echa. U bežných sonarov slúžiacich napr. pre meranie výšok hladiny, meranie vzdialeností v stavebníctve, poľnohospodárstve, lesníctve, robotike alebo automatizáciu a pre stráženie priestoru sa používa ultrazvukový signál najčastejšie s kmitočtom okolo 40 khz. (Novák, 2012) OPTICKÝ SENZOR Optický tok je zrejmý vizuálny pohyb predmetov, povrchov a hrán v priestore spôsobený relatívnym pohybom medzi pozorovateľom a pozorovaným objektom. Tento pohyb je možné použiť pre odvodenie informácie o stave pozorovateľa vzhľadom k tejto ploche. Princíp používa namä hmyz, ktorý ním meria rýchlosť a následne upravuje svoj pohyb voči zemi.

23 Analýza problému 23 Optické čipy pracujú na základe analýzy po sebe idúcich snímok povrchu, nad ktorým sú umiestnené. Snímky sú zaznamenávane rýchlosťou približne 1500 snímok za sekundu. V moderných senzoroch, používaných napríklad v laserových počítačových myšiach, sú tieto hodnoty vyššie. Každý snímok je následne analyzovaný vstavaným algoritmom na analýzu obrazu. Tento algoritmus identifikuje konkrétne body v snímkach a sleduje ich posun s každou nasledujúcou snímkou. Následne im priradí dve hodnoty posunu, ktoré popisujú celkový pohyb sledovaných bodov. Posuvné hodnoty sa uvádzajú v počtoch pixelov. Ukladajú sa v registroch, aby mohli byť čítané z externého zdroja. Pri použití v zlých svetelných podmienkach musí byť senzor umelo prisvecovaný. Vhodým príkladom sú opäť počítačové myši. (Kim, a iní, 2007) V posledných rokoch s pokročilou technológiou CCD senzorov sa meranie optického toku stále viac a viac využíva aj v robotike. Nachádza tu uplatnenie pri meraní rýchlosti pohybu, ale aj na vyhýbanie sa prekážkam GPS Prijímač GPS sa využíva hlavne v autonómnych systémoch, ktoré potrebujeme navigovať bez interakcie s pilotom. Síce neposkytuje informácie o polohe s centimetrovou presnosťou, ale odchýlka merania s časom nevzrastá. Proces prebiehajúci v každom GPS prijímači by sa dal charakterizovať ako určovanie polohy meraného bodu z priesečníku guľových plôch, ktorých polomer je daný meranými vzdialenosťami. Tento systém sa nazýva tiež dĺžkomerný systém. Meranou veličinou je doba šírenia rádiového signálu z družice k GPS prijímaču. Rýchlosť šírenia signálu sa rovná rýchlosti svetla. Každá družica v navigačnej správe okrem iných údajov posiela aj parametre svojej dráhy (efemeridy), z ktorých sa potom určuje aktuálna poloha družice. V prípade, že poznáme polohy družíc, je možné určiť polohu užívateľa. Poloha sa určuje z troch rovníc o troch neznámych. Hlavným problémom pri meraní je doba, ktorá uplynie medzi vyslaním diaľkomerného signálu z GPS družice a jeho prijatím užívateľským GPS prijímačom. Užívateľské GPS zariadenie teda generuje kópiu signálu vysielaného zvolenou družicou, túto kópiu zosynchronizuje s prijímaným signálom a meria časový posun počiatku kópie vzhľadom k počiatku určeného vlastnými hodinami. Meraný čas je potom možné prepočítať na vzdialenosť Di - pseudovzdialenosť. Ak sa meranie uskutočňuje minimálne k štyrom družiciam, máme k dispozícii všetky veličiny potrebné pre riešenie sústavy rovníc, ktorých neznámymi sú súradnice (X, Y, Z) a posun Dt užívateľovej časovej základne vzhľadom k časovej základni družice. (Wikipedia contributors, 2013)

24 Analýza problému OVLÁDANIE Či už sa jedná o človekom riadeného robota alebo robota plne autonómneho, je potrebné s týmto strojom komunikovať. Keďže sa jedná o lietajúce stroje, je najvhodnejšie voliť komunikáciu bezdrôtovú. Využiteľných technológií je na trhu dostupných veľa, každá má svoje výhody a nevýhody MODELÁRSKE RÁDIO Modelárske vysielačky sú v RC technike používané od 50tych rokov minulého storočia. Na začiatku to boli len jednoduché doma vyrábané jednokanálové zariadena s vysokou spotrebou. Až s nástupom tranzistorovej techniky sa stali široko použiteľnými. Starý a stále využívaný spôsob komunikácie z ovládača do modelu prebieha na frekvenciách od 27 do 72 MHz. Problémom týchto nízkych frekvencí je veľká náchylnosť k rušeniu v prípade, že sa v okolí vyskytuje viacero zariadní využívajúcich rovnakú frekvenciu. (Tyson) Frekvencia 27 MHz je určená pre modely s krátkym dosahom, 35 MHz potom pre všetky lietajúce modely. Na Slovensku je povolené aj pásmo 40 MHz. Na príjem signálu z vysielačky je využívaný malý energeticky nenáročný príjmač spárovaný s vysielačom. Jednoduché modelárske rádiá sa od seba líšia hlavne počtom kanálov, na ktorých sú schopné signály prenášať. Moderné rádiá už zväčša komunikujú na frekvencii 2,4 GHz, ktorá znižuje energetickú náročnosť a zvyšuje odolnosť voči rušeniam. Signály prenášané týmito rádiami sú väčšinou kódované pomocou PWM modulácie. Servo motor príjmá impulzy šírkou a prekladá ich na svoje pozície. Výhodou využitia modelárskeho rádia je jeho rozšírenosť, veľký dosah, no najmä ergonomická optimalizácia vysielača na riadenie lietajúcich strojov WIFI Wi-Fi je sada štandardov pre bezdrôtové lokálne siete LAN (WLAN) založených na špecifikácii IEEE Wi-Fi bolo navrhnuté pre bezdrôtové zariadenia a lokálne siete, dnes sa najčastejšie používa na pripojenie k internetu. Pracuje vo voľných frekvenčných pásmach ISM 2,4 GHz a 5 GHz. Tieto frekvencie bližšie určuje použitý WiFi štandard.

25 Analýza problému 25 Tabuľka 1: Štandardy WiFi Rýchlosť Frekvenčné pásmo Kompatibilita b 11 Mbit/s 2,4 GHz b a 54 Mbit/s 5 GHz a g 54 Mbit/s 2,4 GHz b, g n 144 Mbit/s 2,4 GHz b, g, n Hlavným rozdielom proti rádiovému ovládaniu je nutnosť použiť zložitejšie komunikačné moduly. Aj vysielač aj príjmač tak musí obsahovať nejakú formu počítača. Táto podmienka zbytočne komplikuje komunikáciu a otvára priestor pre vznik chýb. V prípade ovládania RC modelu využitím Wi-Fi je bežné použitie prevodníka medzi sériovým portom a Wi-Fi sieťou. K modelu je potom možné pristupovať z počítača pomocou virtuálneho sériového portu. V prípade použitia tohto spôsobu pripojenia odpadá nutnosť integrácie počítača do modelu, ale strácajú sa tým aj ostatné výhody technológie. Prídeme tak o možnosť jednoduchej integrácie ďalších zariadení (kamery, GPS, etc.) do modelu. (Valenta, 2011) Asi najväčšou výhodou WiFi sú vysoké prenosové rýchlosti, ktoré tento štandard poskytuje. Je preto vhodná najmä na prenos obrazového signálu. Za týmto účelom bude táto technológia aj v práci využitá XBEE ZIGBEE ZigBee je komunikačným štandardom s definíciou spadajúcou do IEEE Jeho moduly potom majú označenie Xbee. Týmto štandardom je definovaná fyzická vrstva, ktorá využíva bezdrôtový prenos dát vo voľných frekvenčných pásmach 2,4 GHz, 900 MHz a 868 MHz. V Českej republike je možný prenos v pásme 2,4 GHz a 868 MHz. Štandard bol vyvinutý priamo pre priemyselné aplikácie. Moduly vynikajú veľmi nízkou spotrebou, hodia sa preto aj do aplikácií čerpajúcich napájanie z batérií. Ako príklad použitia môžeme uviesť bezdrôtový prenos dát od elektronických termostatických hlavíc do centrálnej riadiacej jednotky, ktoré sú používané v inteligentných domoch. Hlavné využitie dnes tkvie v tzv. smart energy systémoch, zdravotníctve a automatizovaných domoch. (VOMOČIL, 2010)

26 Analýza problému 26 V RC sa využíva často na prenos telemetrických dát z modelu k pozemnej stanici. Prenosová rýchlosť týchto modulov je nízka. Pohybuje sa v rádoch Kbps, jediný modul ktorý prekonáva 250 Kbps, je Xbee WiFi. Tento komunikačný štandard sa svojím sérovým prenosom dát, vysokou spoľahlivosťou a nízkou energetickou náročnosťou hodí na riadenie koptéru. Cena a fakt, že sa jedná o closed source ma odradili, preto som ho nepoužil GSM Jednou z alternatív ak potrebujeme ďaleký dosah, je možnosť využitia rádiového signálu mobilných operátorov. Jedná sa o frekvenčné pásmo 900 alebo 1800 MHz. Na trhu existujú GSM moduly, ktoré sú priamo určené pre priemyslové aplikácie. Neobsahujú telefónne ústrojenstvo a svojou funkčnosťou by sa dali prirovnať k 3 G modemom. Podobne je do týchto modulov vložená klasická SIM karta. Hlavnou nevýhodou prenosu dát cez GSM je veľmi veľká latencia prenášaného signálu. Tá dosahuje oneskorenie až stovky milisekúnd. Druhou nevýhodou je spoplatnenie prenášaných dát mobilnými operátormi. Vzhľadom k potrebe sústavného a hlavne okamžitého riadenia je GSM technológia v kombinácií s multi-rotormi nepoužiteľná BLUETOOTH Jednou z ďalších možností, ktorá tiež využíva voľné frekvenčné pásmo 2,4 GHz je technológia Bluetooth. Jeho komunikačný štandard je definovaný normou IEEE Prenosová rýchlosť sa a dosah sa líši podľa použitej triedy. Tabuľka 2: Členenie tried Bluetooth Trieda Maximálny vyžarovaný výkon Dosah (mw) (dbm) (m) Class ~100 Class ~10 Class ~1 Zdroj (2013) Primárne bol tento štandard rozšírený pre prenos dát na krátke vzdialenosti. Typickým príkladom bolo využívanie mobilného telefónu ako modemu pripojeného k notebooku cez Bluetooth, alebo aj pripájanie nenáročných periférií akými sú klávesnice a myši. Priemyselné moduly ale dokážu plne nahradiť sériové linky RS232 bez toho, aby koncové zariadenie spoznalo rozdiel. Navyše dosah 100m a viac, v prípade použitia externej antény, u class 1 už obmedzuje len malé množstvo aplikácií.

27 Analýza problému DR RADIO 3DR Radio je relatívne novinkou na trhu sériovej komunikácie. Bolo vyvinuté Americkou firmou 3DRobotics, ktorá stojí aj za kontrolérom ArduPilot. Jeho cieľom je nahradiť pomerne drahý a uzatvorený štandard ZigBee. Rovnako ako ArduPilot aj 3DR Radio je otvorenou hardwarovou platformou s dostupnými schémami a rozložením plošných spojov. Vyrába sa v 900MHz aj 433 MHz pre Európu, kde je nelegálne používať 900 MHz na modelárske účely. K riadiacim doskám sa pripája štandardnou TTL UART zbernicou. Medzi jeho charakteristické vlastnosti patrí: Malá veľkosť a váha Citlivosť až -121 dbm Vyžarovací výkon 100 mw poskytujúci dosah ~1,6km Poskytuje transparentný sériový prepoj s rýchlosťou až 250 kbps Podpora MAVLink 10 protokolu Vstavaný samoopravný mechanizmus prenosu (zvláda až 25% chybovosť) Otvorený firmware Pre budúce projekty odporúčam práve tento prenos riadenia a sám ho plánujem v budúcnosti implementovať. 3.6 ZACHYTÁVANIE A PRENOS OBRAZU Na vzdialený prieskum, hlavne v oblastiach bez priameho dohľadu, je potrebné využiť vhodnú metódu prenosu obrazovej informácie. V prípade, že sa touto informáciou počas letu riadime, jedná sa o takzvane FPV First person view, čo sa dá voľne preložiť ako pohlaď vlastnými očami. Pilot má v tomto prípade k dispozícii pohľad z paluby koptéru, ktorý mu simuluje pohľad z očí. Pre dosiahnutie hlbšieho vnorenia do situácie sa na tieto účely zvyknú používať namiesto monitora okuliare. Základná výbava potrebná na poskytnutie takéhoto zážitku je: Vyladený RC model s vysielačom Model musí byť stabilný V prípade lietadiel sa nesmie nakláňať do strán pri redukcii plynu, v prípade koptérov sa musí zvládať vznášať 10 Štandard v RC/UAV kontroléroch, používa GCS, alebo telefón pripojený prostredníctvom bezdrôtového sériového alebo TCP / UDP spojenia na riadenie bezpilotných operácií

28 Analýza problému 28 Video vysielač Videoprijímač Kameru Musí mať dostatočnú nosnosť, treba rátať aspoň 0,5kg navyše Musí disponovať miestom na umiestnenie kamery a video vysielača Monitor alebo video okuliare VYSIELAČ A PRIJÍMAČ Na trhu sú dostupné 4 rôzne skupiny frekvencií, v ktorých sa zvykne vysielať video. Nimi sú 900 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz a 5,8 GHz. Voľnosť týchto frekvencií je ale legislatívne ošetrená, bohužiaľ nekonzistentne. V každej krajine sú povolené iné frekvencie a iné povolené výkony. V Čechách, na Slovensku a aj vo väčšine Európy je napríklad nemožné používať frekvenciu 900 MHz. Táto frekvencia je vyhradená mobilným operátorom, ktorí za ňu platia nemalé peniaze. Pri vysielaní v tomto pásme teda hrozí okrem rušenia aj pokuta. (Jameson, 2011) Frekvencia 1,2 GHz je problémová. Pre rádioamatérov je použiteľná, no iba na horných kanáloch. Na nižších kanáloch funguje letecká navigácia. Napríklad vo Veľkej Británii je známy prípad, keď bolo pár takýchto video vysielačov zabavených kvôli rušeniu DME. Pokiaľ to okolnosti dovoľujú, je rozumnejšie túto frekvenciu vynechať. Frekvencia 2,4 GHz je na prvý pohľad ideálna. Ale v posledných rokoch nastáva problém s nárastom RC súprav vysielajúcich na tejto frekvencií. Aj keď na riadenie modelu budeme požívať iný kanál, je veľká šanca, že niekoho s rádiom na 2,4 GHz stretneme na zraze modelárov alebo súťaži. A nakoniec, 5,8 GHz je bez problémov. Limitom sú samotné vlastnosti tak vysokej frekvencie. Vo fyzike totiž platí, že s narastajúcou frekvenciou narastá aj útlm pri šírení rádiových vĺn. Vysoko frekvenčné signály majú totiž kratšie vlny a tie majú problém pri prieniku prekážkami. Takže kde rádiový signál vysielaný na frekvencii 35 MHz presiahne aj za kopec, lietadlo riadené signálom frekvencie 2,4 GHz už bude neovládateľné. A video prenos, na ktorý by bolo použité pásmo 5,8 GHz, by bol stratený ešte skôr. Výhody a nevýhody jednotlivých frekvencií možno zhrnúť nasledovne:

29 Analýza problému 29 Tabuľka 3: Porovnanie frekvencií na prenos obrazu 1,2-1,3 GHz + - Prejde aj cez stromy a múry Na jej prevádzkovanie je potrebná rádioamatérska licencia Frekvenčné pásmo je menej rušené Strata signálu je postupná vo veľkej vzdialenosti začne zrniť U nás nie je určená pre prenos videa Má použiteľných len zopár kanálov Ťažko sa zháňajú rozumné antény Ovplyvňuje a ruší analógové servo motory a prípadný GPS modul, ale aj iné senzory v modeli 2,4 GHz + - Obrovský výber kvalitných antén, vysielačov a doplnkov Legálna na prenos videa Ľahšie sa tu skryje aj trošku vyšší výkon Viac ovplyvnená prekážkami Legálny výkon pre prenos videa je 10 mw Značne preľudnená frekvencia Neexistuje možnosť použiť ju súbežne s 2,4 GHz rádiom 5,8 GHz + - Väčší výber antén a doplnkov (stále sa rozširuje) Neruší sa takmer s ničím (servá, GPS, 2,4 GHz rádio ) Je značne ovplyvnená prekážkami (strom môže znamenať výpadok videa) Malý výber vysielačov

30 Analýza problému 30 Môže sa použiť s akýmkoľvek rádiom vrátane 2,4 GHz Najkvalitnejší obraz Legálny výkon vysielača je 25 mw Strata signálu v obraze je skoro okamžitá, bez varovania zrnením Najvyšší útlm a teda najmenší dosah vysielača Je značne ovplyvnená prekážkami (strom môže znamenať výpadok videa) Zdroj (Windestål, 2009) V súlade s legislatívou je najlepšie použiť na riadenie rádio na 35/40 MHz, prípadne na 433 MHz a doplniť ho prenosom videa 2,4 GHz. Druhou alternatívou je použitie 5,8 GHz.V tomto prípadne ale treba zvýšiť vyžarovaný výkon. Dvojnásobné zvýšenie výkonu však zvýši dosah maximálne 1,4 násobne (vypočítava sa mocninou). Na dvojnásobné zvýšenie dosahu je teda nutné výkon zvýšiť štvornásobne. Silnejší vysielač má síce väčší dosah, ale zároveň aj väčšiu váhu a vyžaruje viac tepla a rušenia. Je preto lepšie použiť kvalitnejšiu, smerovú alebo aspoň sektorovú anténu. (Windestål, 2009) S prijímačom je situácia celkom jednoduchá. Vysielače sa totiž častokrát predávajú priamo s ním, prípadne skoro nikdy nie je problém kúpiť kompatibilný prijímač na mieste kúpy vysielača. Pre úplnosť ale doplním, že celá kompatibilita spočíva v schopnosti prijímať rovnaké kanály na rovnakej frekvencií KAMERA Na trhu je obrovské množstvo kamier. Líšia sa hlavne použitým senzorom. Kamery s CMOS senzorom sú malé, energeticky úsporné. Najčastejšie sa používajú v mobilných telefónoch. Majú krásne, sýte farby a skoro zanedbateľnú váhu. Majú ale aj nevýhody. Sem patrí najmä ich citlivosť na vibrácie. Vibrácie v kombinácií s týmto typom senzoru spôsobujú vlnenie sa obrazu, takzvaný jello efekt, ktorý pokazí každý záznam. Existujú aj kvalitnejšie CMOS kamery, tie odstraňujú zmienené problémy, no cena je často dvakrát vyššia než cena CCD kamery. Jedná sa najmä o kamery s čipom PIXIM, ktoré umožňujú nastavovať jas pre každý bod snímača samostatne. CCD kamery fungujú podobne ako klasické filmové kamery preto sa aj zábery dosť podobajú. Sú v podstate opakom CMOS kamier. Ich hlavná výhoda je, že netrpia na jello efekt.

31 Analýza problému 31 Vlastnosti kamerových čipov sa teda dajú zhrnúť nasledovne: Tabuľka 4: Porovnanie CMOS a CCD čipov CMOS + - Sú o niečo lacnejšie Sú veľmi šetrné v spotrebe energie Sú maličké a ľahké V slabom svetle podávajú slabý výkon Slnko často ukazujú ako čiernu škvrnu Obraz je menej ostrý CCD + - Majú ostrý obraz Mávajú nočný režim, po zotmení je možné ich prepnúť do infračerveného režimu Sú energeticky náročnejšie V porovnaní s CMOS sú veľké Neprekážajú im vibrácie Pri priamom protisvetle zobrazujú vertikálne svetelné čiary Spôsobujú iba veľmi málo rušenia Majú nevýrazné farby Zdroj (Windestål, 2009) Kamery sa predávajú v prevedení PAL alebo NTSC. Pre Európu je štandardná norma PAL - v jeho prospech hrá viac riadkov obrazu, mínusom je o niečo menšia obnovovacia frekvencia DOPLNKY Vyššie uvedená je len základná výbava potrebná na prenos obrazu, pre komfortné používanie sa ale často rozširuje doplnkami zvyšujúcimi komfort. Medzi najzaujímavejšie patria: Video okuliare: Sú to okuliare, vzhľadom pripomínajúce potápačské alebo lyžiarske okuliare. Namiesto priezoru však majú malé displaye na ktorých je možne sledovať obraz z modelu. S pravidla bývajú utesnené voči okoliu, aby používateľ dosiahol väčšej miery vnorenia. Pohľad na svet je potom akoby cez oči koptéru. Najznámejší výrobca FPV okuliarov je FatShark. Všetky jeho modely už poskytujú rozlíšenie 640x480 obrazových bodov, ktoré je síce

32 Analýza problému 32 v dnešnej dobe malé, no na tieto účely postačujúce. S cenou od približne 200 USD sú tak výbornou alternatívou prenosného monitoru. Headtracker: Je malé zariadenie, ktoré najčastejšie pripína na FPV okuliare. Obsahujúce podobné IMU ako koptér, a tak je schopné presne určiť pohyb hlavy. Tieto dáta sú potom prenášané do koptéru kde riadiaca jednotka na ich základe natáča kamerový gimbal. Výsledkom v spojení s okuliarmi, je skoro dokonalá imerzia.

33 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 33 4 NÁVRH VLASTNÉHO MODELU QUADROKOPTÉRY V súlade s cieľom práce som konštruoval quadkoptéru za použitia bežne dostupných technológií. Návrh som smeroval k diaľkovému prieskumu a prípadnej použiteľnosti na prenos obrazovej informácie z týchto vzdialených oblastí. Metodika riešenia spočíva v definovaní podmienok, ktoré musí zariadenie spĺňať, aby sa dosiahol cieľ práce a následnom výbere vhodných konštrukčných prvkov, za požitia ktorých bude zariadenie týmto podmienkam vyhovovať. Podmienky kladené na navrhovaný model quadokoptéry sú : Zdvih aspoň 500 g nezahrňujúci samotnú hmotnosť koptéru, kvôli potrebe prevážať výbavu na záznam a prenos obrazu Výdrž pri lete s touto záťažou aspoň 10 minút Dobrú stabilitu v nehostinných environmentálnych podmienkach Možnosť neskoršej plnej automatizácie 4.1 POHON Na to, aby bolo možné začať dimenzovať rozmery rámu, je potrebné najprv poznať rozmery osadených propelerov. Na výpočet potrebných propelerov je zas potrebné vybrať konkrétne motory. V praxi sa táto kombinácia vyberá naraz, s dôrazom na motory, keďže výmena propelerov je omnoho trviálnejšia a cenovo nenáročná VÝBER MOTOROV Tento krok je jedným z najkomplikovanejších, keďže neexistuje jednoznačné riešenie. Po prečítaní veľa diskusií najmä na som vyvodil nasledovné závery: Nízko otáčkové motory s veľkými propelermi majú väčšiu efektivitu Malé propelery dokážu meniť otáčky oveľa rýchlejšie než veľké Veľký koptér s veľkými propelermi bude stabilnejší Podľa počtu otáčok by sme mohli vhodnosť použitia motorov rozdeliť nasledovne: << 1000kv = Fotografovanie kv = Prenos videa >>1000kv = Športový let (FyreSG, 2013)

34 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 34 Po zhrnutí týchto poznatkov sa dostaneme k záveru, že v prípade stavby quadrokoptéru určeného na prenos obrazovej informácie, je vhodné použiť motory s menej ako 1000 otáčkami na volt. Získame tak možnosť osadenia väčších propelerov a tak aj väčšej stability a efektivity. Pomalší motor taktiež nekladie tak vysoké nároky na rýchlosť a presnosť ESC. Počas zmeny požadovaného výkonu sa totiž môže stať, že ESC bude mať problém vykonať presnú zmenu napájania motora. Ale v prípade, že ovláda motor s nižšími otáčkami, majú jednotlivé kroky zmien väčšie rozpätie a tým pádom je jednoduchšie trafiť sa do potrebného rozmedzia hodnôt. Vo výsledku tak získame hladšie ovládanie, čo je pre video záznam vítané. Koptér sa síce stane o niečo nemotornejší a pomalší v prudkých manévroch, ale to pri video zázname neprekáža. Keď som si takto ujasnil základ, prišlo k výberu konkrétneho motora. Veľa českých modelárov nakupuje modely v Číne, konkrétne na stránkach Kvôli koncovým cenám to odporúča aj Adam Štrauch vo svojom seriáli o stavbe quadrotoru na root.cz. (Štrauch, 2013) Z ponuky HobbyKingu som sa nakoniec po zvážení rôznych faktorov rozhodol pre motory Turnigy D2836/9, ktoré na svoj podobne zameraný projekt odporúča aj pán Štrauch. Obrázok 7: Zvolený motor Turnigy 2836/9 V ich prospech nahráva: Kompatibilita s tromi typmi batérii, pre neskoršie experimenty Vysoký výkon 243 W, a s ním súvisiaci maximálny zdvih 850 g Nízky vnútorný odpor ohm 950 otáčok na volt je vhodných pre moje zámery

35 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 35 Turnigy je relatívne overená značka a ohlasy v diskusiách sú taktiež pozitívne Ako som neskôr zistil, tieto motory sú žiadané a často vypredané VÝBER REGULÁTOROV (ESC) Po pomerne zložitom výbere motorov prišla jednoduchšia časť - výber kompatibilných regulátorov otáčok. Už výrobca motora častokrát udáva potrebný výkon ESC pre hladký chod motora. Ak údaj chýba, dá sa ľahko odvodiť od maximálneho príkonu motoru. V mojom prípade má motor maximálny príkon 23.2 A, ESC ktoré ho zvládne obsluhovať musí vedieť dodávať minimálne taký prúd. Ďalším faktorom je zvládnutie prijímania signálov na vysokých frekvenciách. Konkrétnejšie, spracúvať PWM signál na frekvencii aspoň 400 Hz. Dôvodom je snaha obísť vstavaný dolno-priepustný filter. Na riadenie multirotora sú potrebné prudké zmeny otáčok motorov, no väčšina ESC automaticky zarovnáva prudké zmeny na vstupe na plynulé zmeny na výstupe. Ak ale ESC zahltíme rýchlo dávkovaným signálom, potlačí sa tak efekt filtra. Toto správanie ilustrujú nasledovné merania, ktoré zobrazujú zmenu reakčného času regulátora Turnigy Plush 30 A pri riadení signálom na frekvencii 50 Hz a 400 Hz: Obrázok 8: Plush 30 A pri 50 Hz

36 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 36 Obrázok 9: Plush 30 A pri 400Hz Spodný signál (2->) je signál PWM impulzov, horný signál (1->) zobrazuje reakciu na zmenu PWM. Keďže budem používať na napájanie Li-Pol batériu, je tiež nutné, aby sa dalo nastaviť napätie, pri ktorom sa má prestať z batérie čerpať energia. Li-Pol batériám totiž ich úplné vybíjanie skracuje životnosť. Medzi ďalšie rozširujúce - no nie potrebné - vlastnosti patrí BEC 11 konektor, alebo možnosť zmeny firmwar-u. Vybral som si regulátory Turnigy Plush - 30A vo verzii s BEC konektorom. Na napájanie motorov Turnigy D2836/9 by síce postačovali aj 25A regulátory, ale v čase nákupu boli 30A asi o 2 lacnejšie 12. Navyše menšia prúdová rezerva je žiadaná. (Nitroplanes, 2011) 11 Battery Elimination Circuit regulátor napätia, ktorý umožnuje napájanie riadiacej jednotky, rádioého vysielača a servo motorov, priamo z ESC 12 Cenový rozdiel činil dokopy vyše 8, keďže regulátory sú potrebné 4 rovnako ako motory.

37 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 37 Obrázok 10: Zvolený regulátor Turnigy Plush 30A Plush má na rozdiel od väčšiny ESC niekoľko vlastností, ktoré ho robia vhodným pre multirotory. Jeho originálny firmware je už od výroby navrhnutý pre multikoptéry Je preflashovaťelný na obľúbený vyladený komunitný firmware SimonK Zvláda pracovať s PWM signálom na 490 Hz Dá sa programovať pomocou programovacej karty Tieto regulátory sú teda vhodné aj s výhľadom na možné úpravy konfigurácie v budúcnosti. Utiahnu aj silnejšie motory, ak to bude potrebné, a v prípade nespokojnosti s reakčnými časmi umožňujú úpravu firmware-u VÝBER PROPELEROV Pred tým, ako som mohol konečne prejsť k návrhu samotného rámu quadkoptéry, som najskôr musel poznať veľkosť propelerov, ktoré budem používať. Ako už bolo spomínané, na prenos videa sú vhodnejšie väčšie koptéry so silnými motormi a veľkými propelermi. Výrobca 2836/9 definuje pre motor ako vhodný rozmer propelerov 12x6 pri napätí 7.4 V resp. 9x6 pri 14.8 V. Propelery veľkosti 9 palcov sú na naše účely príliš malé, bolo by potrebné ich točiť na zbytočne vysokých otáčkach. Pri napätí 7.4 V a teda napájaní dvojčlánkovou batériou zas nedosiahneme potrebný zdvih na prenos celej video súpravy. Navyše môj koptér som od začiatku plánoval napájať trojčlánkovou batériou. Bolo teda potrebné stanoviť efektívnu veľkosť propelerov iným spôsobom. Na výpočet mi poslúžil webový kalkulátor xcoptercalc, do ktorého som zadal predpokladané parametre môjho koptéru a nechal si vygenerovať výsledné dáta pre niekoľko rôznych druhov propelerov.

38 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 38 Počet rôznych kombinácií je veľmi veľký. Preto ho treba obmedziť stanovením si pomyselných filtrov. Propeler by mal mať čo najmenšie stúpanie a čo najväčší priemer. Tak isto je potrebné zohľadniť dostupnosť propelerov. Celková paleta je síce pestrá, no bežne dostupné propelery pre koptéry sú vo veľkostiach 8x3.8 12x6. Ako východzie propelery som stanovil APC slowfly. Sú celkom dostupné, aj keď nie sú najlacnejšie. Postačia nám na určenie rozteče medzi motormi. Pri výbere je dobré sledovať nasledujúce parametre: Potrebný výkon na vznášanie sa Throtlle 13 (Th) Prídavná záťaž, ktorú sú schopné uniesť add. Payload (ap) Čas letu pri maximálnom výkone Flight Time (FT) Čas letu pri vznášaní sa Hover Flight Time (HFT) Efektivita sústavy pri maximálnom výkone Max (EMax) Efektivita sústavy pri vznášaní sa Hover (EHov) Kompletné výpočty z aplikácie ecalc prikladám v prílohe B. 13 Throttle škrtenie, v tomto prípade chápane ako škrtenie otáčok motora, a teda obmedzovanie jeho výkonu

39 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 39 Tabuľka 5: Vplyv veľkostí propelerov na letové vlastnosti Propeller Th(%) ap(g) FT(min) HFT(min) EHov(%) EMax(%) U quadrokoptéry je pre dobrú ovládateľnosť potrebné dosiahnuť throttle v rozmedzí 40%-50%. Predpokladajme, že potrebné throttle uvedené v tabuľke sa ešte o niečo navýši v momente, keď sa k váhe modelu pridá váha výbavy na prenos videa. Ako najlepšia voľba vyšli propelery Propelery s priemerom 10 palcov síce ponúkajú vyššiu efektivitu, no výkon potrebný na levitáciu je tiež vyšší. Naviac skracujú čas letu približne o minútu. Bohužiaľ, v čase nákupu boli na hobbykingu aj v lokálnych modelárstvach propelery 1138 vypredané, a tak som sa dočasne uspokojil s 1047, ktoré boli cenovo veľmi výhodné. Patria totiž k najrozšírenejším. 4.2 NÁVRH KOSTRY Z predošlého bodu je pomerne jasné, že sa nebude jednať o malý akrobatický model, ale o model stredných rozmerov, s rozpätím ramien okolo 500 mm. Keďže nie som strojár, dovolil som si inšpirovať sa komerčným riešením, konkrétne modelom DJI Flamewheel.

40 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 40 Obrázok 11: DJI Flamewheel F V ideálnom prípade by mala byť vzdialenosť medzi dvoma propelermi rovná priemeru jedného propeleru. Eliminovala by sa tak možnosť vzniku turbulencií medzi opačne sa točiacimi vrtuľami. Toto odporúčanie ale dodržuje len minimum modelárov, quadrokoptéra by v takom prípade dosahovala obrovské rozmery. Pri použití 11 palcových vrtúľ by počas letu tvorila obdĺžnik so stranou minimálne 83,82 cm. Od začiatku mi bolo jasné, že tento rozmer je neprijateľný. Ako absolútne minimum medzi dvoma vrtuľami sa udáva vzdialenosť jedného palca. Rám aj vrtule sú totiž pružné a pri prudkých manévroch by inak mohlo dôjsť k ich kontaktu, ktorý by sa celému koptéru ľahko stal osudným. Túto podmienku sa mi už dodržať podarilo VOĽBA MATERIÁLU Pri navrhovaní rámu quadrokoptéry som mal na výber niekoľko rôznych materiálov. Každý materiál má iné vlastnosti čo sa ceny, pevnosti, pružnosti, trvanlivosti, váhy a obrábateľnosti týka. Hmotnosť je z uvádzaných parametrov pre lietajúce stroje všeobecne asi najdôležitejšia, keďže priamo ovplyvňuje najviac letových vlastností. Pri návrhu som si vyberal z pomedzi najbežnejšie používaných materiálov, tými sú: hliník, plast, a uhlíkové vlákna. 14 Prebraté z:

41 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 41 Hliník má dlhú históriu v modelárstve a RC helikoptérach. Je ľahký a pevný, dobre odvádza teplo a je relatívne lacný v porovnaní s niektorými z ďalších možností. Negatívum hliníka je to, že pre malé modely, extra citlivé na váhu, býva príliš ťažký. Taktiež uňho časom hrozí tvorenie trhlín spôsobených vibráciami. Dlho som zvažoval použitie hliníka ako materiálu na nosnú kostru ramien môjho koptéru a jeho následné doplnenie pružnejším materiálom, ktorý by tlmil vibrácie, v strede. Nakoniec som tak ale neurobil. Karbónové vlákno má v súčasnosti asi najlepšie vlastnosti pre výrobu RC koptér. Je silnejšie a ľahšie ako hliník a absorbuje vibrácie lepšie ako plast. Naviac jeho tvrdosť a pružnosť sa dá ovplyvniť pri výrobe tak, aby bolo tvrdé pod jedným uhlom a pružné v uhle druhom. Samozrejme, tak dobré vlastnosti nie sú zadarmo a cena je teda najväčším úskalím karbónu. Druhý problém jeho použitia pre môj koptér bol v zložitosti samotnej jeho tvorby. Keďže som si rám chcel vyrobiť sám, musel som zavrhnúť aj karbón. Plast absorbuje vibrácie oveľa lepšie hliník. Zároveň je pomerne odolný a pružný, pri náraze sa na rozdiel od hliníka, ktorý sa ohne, vracia do pôvodného tvaru. Jeho ďalšou výhodou je, že je veľmi lacný, ľahký a jednoducho sa obrába. Existujú rôzne druhy plastov, napríklad nylon, polypropylén, Delrin, Ultem, polyetylén a ABS. Ja som zvažoval hlavne ABS, pre ktoré som sa nakoniec aj rozhodol. Porovnanie vlastností najbežnejších materiálov uvádzam v Tabuľka 6: Porovnanie vlastností konštrukčných materiálov. Moje rozhodnutie bolo vo veľkej miere ovplyvnené prístupom k 3D tlačiarni, na ktorej som mohol vytlačiť navrhnutý rám. Nebol som tak obmedzený svojimi manuálnymi zručnosťami a vlastnosti rámu priamo ovplyvňovali nastavenia tlačiarne a moje modelovacie schopnosti. Tlač za pomoci 3D tlačiarne prebieha na princípe nanášania tenkých čiar plastu vrstvu po vrstve. Toto je potrebné vziať do úvahy aj pri modelovaní, keďže vrstvenie priamo ovplyvňuje pružnosť a pevnosť hotového modelu. Takto vytlačený model je potom pružný rovnobežne so smerom vrstvy a pevný v smere kolmom na vrstvu. Vrstvenie a s ním spojená pružnosť je ale dvojsečná. Na rozdiel od výlisku sa totiž vytlačený model po aplikovaní príliš veľkej sily rozlepí po dĺžke vrstiev. V prípade modelu lisovaného by došlo k prasknutiu, no na prasknutie plastu rovnakej hrúbky je potrebná väčšia sila než na rozlepenie vrstiev. Vrstvenie má ale jednu výhodu oproti výlisku vrúbkovanie, ktoré vrstvením vzniká, sa dá využiť ako závit. Pre aplikácie, pri ktorých nie je na závit vyvíjané priveľké pnutie, je po nastavení vhodnej výšky vrstvy takto vytvorený závit plne postačujúci. Nevýhodou, ktorú ovplyvňuje hlavne použitá tlačiareň, je čas potrebný na zhotovenie dielu.

42 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 42 Tabuľka 6: Porovnanie vlastností konštrukčných materiálov Materiál Modul pružnosti v ťahu (GPa) Pevnosť (MPa) v ťahu objemová hmotnosť (g/cm 3 ) Nylon ABS Ultem Delrin Karbónové vlákno Nerezová oceľ Hliník Zdroj (DiCesare, a iní, 2009) MODELOVANIE PRE TLAČ Ako modelovací nástroj som si zvolil Google SketchUp, po novom už Trimble SketchUp. SketchUp je nástroj kombinujúci vlastnosti silných CAD systémov a štandardnú ceruzku a papier. Program disponuje veľmi jednoduchým ovládaním, všetko sa kreslí priamo v priestore, ktorý je oddelený iba tromi farebnými osami (žiadne definovanie priemetní alebo úchopových bodov). Počas modelovania automaticky ponúka ďalšie kroky, chytá sa koncových a stredových bodov, bodov na ploche, hrán, kopíruje smery osí a hrán. Základným nástrojom je funkcia Ceruzky. Kreslí čiary, oblúky, polygóny. Uzatvorený obrazec v rovine je automaticky vyplnený plochou. Z plôch a hrán je potom tvorený celý budúci model. Medzi ďalšie funkcie patrí vytiahnutie roviny do priestoru, jej ďalším delením pomocou pridania nových hrán, vytiahnutím, zatlačením, alebo úpravami ako sú Posun, Kópia, a podobne, je možné rýchlo vytvoriť aj komplexné modely. Oproti konkurencii mal pre mňa hneď niekoľko výhod: Základná verzia je dostupná zdarma Ma neuveriteľne jednoduché ovládanie Podporuje širokú škálu ruby 15 pluginov, ja som využil menovite: 15 Ruby je programovací jazyk.

43 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 43 Joint push and pull na vytiahnutie a zatlačenie komplexných útvarov Su2STL na export a import súborov vo formáte STL, ktorým rozumie nástroj na spracovanie modelu pre 3D tlačiareň - Slic3r CleanUP 3 na očistenie modelu od redundantných hrán a plôch, ktoré by spôsobovali Slic3ru problémy Celé modelovanie, najmä nôh, prebiehalo v niekoľkých cykloch. SketchUp totiž, na rozdiel od napríklad Solidworks, neponúka možnosti simulácie nárazov a pevnosti modelu. Problémový bol najmä diel ramien/nôh, ktorý bol v prvej iterácii príliš pružný, v inej sa zas priľahko odlamovali pristávacie plošinky. Súčasný návrh síce odstraňuje predošlé problémy, no zas mám dojem, že je zbytočne ťažký a tak som si istý že sa ešte k SketchUp-u vrátim. Počas modelovania som si zvolil klasickú konštrukciu, quadrokoptéru s ramenami do X. Táto konštrukcia je vhodná práve pre video záznam, keďže nie je problém umiestniť kameru dopredu medzi predné dve ramená, kde jej nič nebude zavadzať vo výhľade. Model sa skladá z piatich základných dielov: Spodný diel s visutím na pripevnenie kamery Stredný diel Vrchný kryt riadiacej jednotky 4 ramená Obal na GoPro kameru Tlačil aj dištančné stĺpiky, pri ktorých som práve využil vlastnosť vrstvenia 3D tlače a nemusel sa tak starať o závity v nich. Je ale možné použiť aj klasické železné stĺpiky (neodporúčam kvôli zbytočnej váhe) alebo nylonové modelárske stĺpiky Ramená Boli jednoznačne najzložitejším prvkom. Je dôležité u nich nájsť správny pomer medzi pevnosťou a hmotnosťou. Mojím cieľom bolo vytvoriť ramená dizajnovo zaujímavé a zároveň dostatočne pevné. Zvolil som preto podobnú štruktúru ramena ako používajú komerčné ramená pre kostry Flamewheel. V prvých verziách som sa snažil zredukovať materiál, chybou ale bolo redukovať aj materiál pristávacej plochy. Už prvé testy preukázali nedostatočnú pevnosť a plochy sa aj napriek tlmeniu molitanovými špongiami lámali. Plochy som teda rozšíril a spevnil priečnymi traverzami.

44 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 44 Obrázok 12: Model ramena z programu SketchUp Finálne rameno má celkovú dĺžku 22 centimetrov. Snažil som sa ho čo najviac predĺžiť na získanie stability. Tu som narazil na obmedzenia bežných 3D tlačiarní. Možno by sa mi podarilo predĺžiť ho ešte o centimeter, ale už by som musel použiť riskantné nastavenia tlačiarne. Stále je ale rameno o centimeter dlhšie než konkurenčné Flamewheel ramená Trup a obal na GoPro. V porovnaní s ramenami boli zvyšné diely jednoduché na spracovanie. Začal som návrhom stredného dielu - ako osemuholníka. Miesta pre ramená som nechal nedotknuté, na zostávajúcich stranách som spravil výrezy, aby som šetril materiál a trup tým získal príťažlivejší tvar. Na zadnej strane som ešte pridal plošinku na umiestnenie vysielača, aby som odstránil možné rušenie zbytkom elektroniky a docielil tak čo najlepšieho prenosu signálu. Z okolia stredu som vykrojil pár kúskov plastu kvôli redukcii hmotnosti a získania priestoru pre vedenie kabeláže. Spodný plát je kópiou plátu stredného s dvoma úpravami. Prvou je pridanie slučiek, cez ktoré sa prevlečie suchý zips na upevnenie batérie. Druhou je kĺb na uchytenie obalu pre GoPro. Celý kĺb je jedna extrudovaná kružnica, rozdelená na 5 segmentov. 3 sa nachádzajú na spodnom pláte, dva na krabičke pre GoPro. Vrchný plát je kópia stredného plátu bez pridanej plošiny na vysielač. Tak som dosiahol, že sa na seba krásne vrstvia a všetky diery na skrutky sú správne rozmiestnené.

45 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 45 Obrázok 13: Celý model vyskladaný v SketchUp-e, pripravený na tlač

46 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry RIADIACA JEDNOTKA Obrázok 14: ArduFlyer 2.5 V kapitole Riadiaca jednotka koptéru (FC) som poskytol prehľad momentálne dostupných riadiacich jednotiek vhodných pre túto prácu. Z nich som vybral kontrolér RCTimer ArduFlyer. ArduFlyer je verzia otvoreného kontroléru Arudpilot Mega 2,5 vyrábaná firmou RCTimer. Pôvodný dizajn navrhla americká firma 3DRobotics. Umožňuje užívateľovi riadiť rôzne modely (multirotory, lietadlá, autá aj lode) a je pripravený aj na rozšírenie na plne autonómny systém, kedy sú modely schopné vykonávať úkony a presuny podľa naprogramovaných GPS súradníc. Za pomoci počítača je potom možné plánovať misie s waypointami. Kontrolér s počítačom komunikuje pomocou otvoreného MAVlink protokolu. Na účel programovania misí sa najčastejšie, no nie nevyhnutne, používa software Mission planner. Základné vlastnosti zahŕňajú: Plnú kompatibilitu s Arduino platformou Kompletne prispôsobiteľné I / O porty 3-osý gyroskop a akcelerometer obsiahnutý v MPU-6000 Barometer MS BA03 Digitálny kompas HMC5883L 16Mbit pamäťový čip pre automatické logovanie systému Dva výkonné čipy Atmel ATmega AU a ATMEGA32-2 pre spracovanie dát a USB komunikácie, vrátane riadenia I / O inštrukcií. Prepojenie jednotlivých čipov na doske ilustruje nasledujúca schéma:

47 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 47 Obrázok 15: Bloková schéma ArduFlyer Komunikácia s kontrolérom prebieha cez multiplexovaný port UART0/2.Na tomto porte je pripojená ATMEGA 32-U2, ktorá sa medzi iným stará aj o USB komunikáciu. K oživeniu kontroléru teda stačí použiť klasický USB A micro USB A kábel. Cez tento port je možné prenášať aj telemetriu a ladiť PID za chodu. Ja som na tento účel dokupoval kábel 5 m 16, aby som pri testovaní a ladení nebol obmedzovaný. Výsledné zapojenie celej elektroniky koptéru potom vyzerá nasledovne: 16 Maximálna dĺžka kábla podľa špecifikácie USB 2.0

48 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 48 Obrázok 16: Zapojenie elektroniky koptéru 4.4 KOMUNIKÁCIA Quadrokoptéra prenášajúca video záznam, potrebuje k svojej plnej funkčnosti prenášať tri rôzne typy informácií. Každý má iné požiadavky na technické riešenie. 1. Riadenie letu jedná sa o asi najdôležitejší komunikačný kanál vôbec, pri jeho poruche je síce možné nastaviť automatické pristátie, no misia skončila. 2. Komunikácia s pozemnou stanicou - prenos teletrických dát. 3. Prenos videa v reálnom čase RIADENIE LETU Riadiaca doska je uspôsobená na riadenie letu dvoma spôsobmi. Prvým je použitie modelárskej vysielačky, druhým je riadenie priamo cez software pripojený na MAVlink kanál. Napríklad software Mission planner umožňuje ovládať koptér pomocou pripojeného herného ovládača. Túto možnosť som pôvodne plánoval využívať, no ukázala sa pre začiatočníka nepoužiteľná. Analógové páčky ovládača majú totiž priveľkú citlivosť a mne ako neskúsenému letcovi robilo problém vôbec koptér odlepiť od zeme. Rozumnejšie riešenie je použiť od začiatku modelárske rádio, ktoré je na tento spôsob riadenia navrhnuté.

49 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 49 Rádio na ovládanie koptéru musí byť schopné ovládať minimálne štyri komunikačné kanály. Každému zo základných druhov pohybov, ktoré koptér vykonáva, tak pripadá jeden komunikačný kanál. Všeobecne ale platí, že mať viac kanálov je len a len užitočné. V prípade viackanálového rádia sme schopní na týchto kanáloch riadiť prídavné servá alebo výber letového módu. Vieme tak napríklad natáčať kameru uloženú do gimbalu 17 do strán a získavať tak kvalitnejší záznam. Ja som na riadenie nakoniec použil 6 kanálovú kombináciu od firmy ESKY, vysielač ET6i a prijímač EK Patria síce k lacnejším a menej kvalitným, no pre začiatok sú dostačujúce. Keďže môj koptér zatiaľ nemá prídavné servo na riadenie náklonu kamery, je pre mňa aj 6 kanálov dostačujúcich KOMUNIKÁCIA S POZEMNOU STANICOU Komunikácia s pozemnou stanicou sa používa najmä na prenos telemetrických údajov. Telemetria, alebo meranie na diaľku, je metóda prenosu údajov meranej veličiny na diaľku resp. technické prostriedky na takéto meranie. Slovo pochádza z Gréčtiny, tele = vzdialené, metron = meranie. Výraz sa všeobecne používa na prenos bezdrôtový, aj keď zahrňuje všetky spôsoby prenosu informácie. (Wikipedia contributors, 2013) V RC nám napovedá, v akom stave sa nachádza náš model a umožňuje nám teda prispôsobiť naše pilotné rozhodnutia na základe týchto údajov. Medzi najbežnejšie prenášané údaje patria: aktuálna zemepisná šírka a dĺžka rýchlosť letu voči zemi výška letu rýchlosť klesania / stúpania kurz letu náklon kvalita signálu GPS napätie akumulátorov aktuálne odoberaný prúd spotrebovaná kapacita akumulátora v mah 17 Gimbal je záves umožňujúci nezávislý pohyb. V multi-rotoroch sa používa na uchytenie kamery, ktorá sa tak môže pohybovať nezávisle vzhladom na model.

50 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry 50 teplota regulátorov vzdialenosť od miesta štartu smer k miestu štartu trvanie letu a dátum (Pilný, 2013) Tieto údaje je možné do pozemnej stanice dostať hneď niekoľkými rôznymi cestami. Ako prvé sa automaticky ponúka prepojenie pomocou USB káblu. Už v kapitole 4.3 som sa zmieňoval, že som si práve z tohto dôvodu zadovažoval špeciálny USB kábel. Riešenie pevnou kabelážou je ale obmedzujúce a tak som presedlal na telemetriu cez Bluetooth serial prevodník. Toto riešenie ale tiež nepovažujem z dlhodobého hľadiska za udržateľné, keďže s bežne dostupným Bluetooth prevodníkom nie je možné udržať spojenie na vzdialenosť väčšiu ako 100m. Dokým ale využívam na prenos obrazu integrované WiFi z GoPro, bližšie popísané v nasledujúcej kapitole, je Bluetooth dostatočný. V prípade potreby prenosu informácií na väčšie vzdialenosti sa ponúkajú dve možnosti: Telemetria integrovaná v prenášanom obraze OSD. OSD je skratkou z anglického termínu "On-Screen Display". To by sa dalo voľne preložiť ako zobrazenie na obrazovke a robí presne to, čo jeho meno napovedá - vkladá letové údaje priamo do obrazu prenášaného na zem. Používa sa na to dedikovaný modul, ktorý sa nainštaluje pred vysielač obrazu. Vložené textové a grafické údaje vágne pripomínajú teletext v polotransparentnom móde. Pri použití tohoto spôsobu si ušetríme riešenie ďalšieho komunikačného kanála. Telemetria prenášaná dedikovaným kanálom Toto riešenie je zaujímavé v prípade, že model neprenáša v živom prenose obrazovú informáciu. V tom prípade je najvhodnejšie použiť otvorený dizajn telemetri 3DR Radia. Ale ani Xbee či riešenia od firiem ako FrSky 18 neposlúžia o nič horšie. 18 Firma FrSky prišla ako prvá na trh s modulom otvorenej telemetrie integrovanej do ich RX/TX sady

51 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry ZÁZNAM A PRENOS VIDEA Na prenos video záznamu sa už ale kvôli veľkosti dátového toku nedajú využívať rovnaké technológie ako na prenos telemetrie. Ja som sa teda rozhodol používať technológiu WiFi, keďže rádio na frekvencií 5,8 GHz s dostatočne silným výkonom je momentálne mimo mojich finančných možností. Technológiu WiFi netreba hlbšie predstavovať, jej základy som už zhrnul v kapitole 0. Zvolila sa takpovediac sama, keďže je integrovaná v kamerách GoPro Hero 3, ktorú na záznam videa využívam. Jej hlavná výhoda v spojení s GoPro tkvie v dodávaných GoPro mobilných aplikáciách, a tak nie je na prieskum blízkeho okolia potrebné brať do terénu nič okrem vysielača a mobilného telefónu s nainštalovanou aplikáciou. Cez aplikáciu je naviac možné ovládať kameru, prepínať módy snímania, ako aj fotografie. Obrázok 17: Ukážka mobilnej GoPro aplikácie 19 Hlavnou nevýhodou tejto aplikácie je jej odozva. Vo verzii pre Android je odozva spomalenia približne o 1 sekundu, a tak je použiteľná aj na lietanie. Vo verzii pre ios zariadenia sa bohužiaľ kvôli obmedzeniam od Apple táto odozva počas môjho testovania blížila k 4 sekundám, čo ju činí nevhodnou na samotný let. Prenos cez WiFi ale nie je obmedzený len na mobilnú GoPro aplikáciu, na live stream sa dokáže napojiť aj každý prehrávač schopný prehrávať MPEG TS stream. Môj postup kopíroval postup Jeremyho Sciarappa, a potvrdil som si tak jeho funkčnosť. 1. Zapol som GoPro, na ňom som zapol WiFi. 2. Pripojil som sa MacBookom na GoPro WiFi, ktoré bolo viditeľné v zozname dostupných sietí. 19 Prebraté z:

52 Návrh vlastného modelu quadrokoptéry GoPro DHCP server mi pridelil IP adresu a seba nastavil ako gateway. 4. Otvoril som si prehliadač a v ňom sa pripojil na GoPro na porte Vo webovom UI som si pod položkou live našiel presný odkaz na stream. 6. Predošlý odkaz som otvoril ako stream vo VLC. (Sciarappa, 2013) Na prvý pohľad sa táto možnosť nezdá veľmi prelomová, no otvára dvere možnostiam analýzy letu v reálnom čase, prípadne tvorbe rôznych aplikácií rozšírenej reality. Nevýhodou zvoleného WiFi komunikačného kanálu je relatívne malý dosah vysielačov v mobilných zariadeniach. GoPro vo svojich technických dokumentoch uvádza 180 metrov v optimálnych podmienkach. Osobne som zatiaľ pri pokusných letoch obmedzený dosahom nebol, pretože vzdialenosť žiadneho z nich zatiaľ nepresiahla 30 metrov. Problém s dosahom, ktorý, predpokladám, v budúcnosti nastane, je možné riešiť dvoma spôsobmi. 1. Použitím zosilňovača WiFi signálu, ako to dokazuje Matt Wilson, ktorý si presne pre tieto účely zostrojil zariadenie pozostávajúce z dvoch microtik routerboard WiFi kariet a umiestnil ho do prostriedku pretekárskeho okruhu. (Wilson, 2012) Obdobným spôsobom by sa dalo takéto zariadenie umiestniť aj do prostriedku lúky, na ktorej by som chcel lietať, dokonca pri dnešnej spotrebe elektrickej energie by nebol problém toto zariadenie napájať solárne. 2. Opustením štandardu a prejdením na inú technológiu, najpravdepodobnejšie by bolo rádio pracujúce na frekvencii 5,8 GHz. Ak mi teda nebude dostačovať ani dosah s WiFi repeatrom, ktorým sa tento zväčší na vzdialenosť okolo pol kilometra, budem musieť dokúpiť súpravu na prenos analógového signálu. Tu už ale nastáva problém s cenou, keďže sady ktoré ponúkajú dosah aspoň 1 km, začínajú 20 na cenovej hladine 300$. 20 Pod začínajú, môžeme rozumieť pochybnú kvalitu honkongských eshopov ako je dealextreme.com.

53 Realizácia 53 5 REALIZÁCIA Posledným krokom môjho projektu bolo skombinovať všetky pripravené diely dohromady, quadrokoptéru oživiť a konečne s ňou prvý krát vzlietnuť. 5.1 TLAČ Zvolený materiál a s ním spojený výrobný postup mi síce dovolil popustiť uzdu fantázii v dizajne, no výrazne ma obmedzil v maximálnych rozmeroch jednotlivých dielov. Naša tlačiareň reprap, typu Prusa-Mendel, na ktorej som celý model tlačil, totižto dovoľuje vytlačiť diel o maximálnych rozmeroch 20 cm šírka, 20 cm hĺbka, a 13 cm, respektíve - s novým, kratším a presnejším hot-endom, ktorý som bol donútený kúpiť - 17 cm výška. Ramená mojej quadrokoptéry sa oficiálne stali najväčším modelom, aký naša tlačiareň behom svojho ročného fungovania tlačila. Obrázok 18: Reprap Prusa-Mendel v hackerspace Base48 Pri pokuse o tlač nôh som sa najprv musel naučiť správne kalibrovať našu tlačiareň. V minulosti som tlačil vždy len relatívne malé modely, na ktorých sa rozdiel 1 mm vo výške heatbedu 21 na jeho krajoch neprejavil. Ďalším krokom bola kúpa novej tlačiacej trysky takzvaného hot-endu. Dôvodom bolo, že náš podomácky ručne sústružený nedokázal tlačiť s potrebnou presnosťou. Po jeho výmene (ktorej predchádzal týždeň márneho ladenia a tri zle vytlačené pokusy o ramená) som bol schopný dosiahnuť uspokojivú kvalitu tlače. 21 Heatbed je plocha vyhrievaná na 100 C,na ktorú sa postupne tlačí zvolený model. Teplotu je potrebné udržiavať aspon počas prvých vrstiev, keď ked hrozí odlepenie modelu.

54 Realizácia 54 Jednotlivé modely vyexportované v STL 22 formáte som nahral do programu Slic3r, ktorý dokáže k STL geometrii pridať nastavenia tlače a vyexportovať vo formáte.gcode 23. Použité nastavenia tlače sa líšili podľa časti kostry, ktorú som práve tlačil. Napríklad na vrchný kryt elektroniky stačí použiť menšiu hustotu výplne ako na ramená, kdeže tento diel nie je mechanicky namáhaný. Vygenerovaný kód potom spracoval program Repetier-Host, ktorý uprednostňujem hlavne pre jeho schopnosť zobraziť náhľad gcode, ale aj úzku spoluprácu s Slic3rom. Obrázok 19: Okno aplikácie Repetier-Host s nohou pripravenou na tlač 22 3D formát pozostávajúci len z trojuholnikov, bez textúr, materialov alebo farieb 23 Formát ktorému rozumejú firmwary v 3D tlačiarniach

55 Realizácia KONŠTRUKCIA Na spojenie jednotlivých častí dokopy som využil oceľové skrutky s metrickým závitom a imbusovou hlavou o priemere 4 mm rôznych dĺžok. Imbusovú hlavu som volil ako najpraktickejšiu, práca s imbusovým kľúčom je neporovnateľne pohodlnejšia než práca s kľúčom francúzskym. Klasické šraubováky (plochý/krížový) mojej konštrukcii nevyhovovali, ťažko by sa s nimi dostávalo do niektorých uhlov. Oceľ som volil pre jej pevnosť a odolnosť pri opakovanom spájaní, k čomu dochádza pri prvotných konštrukciách všetkých prototypov. V budúcnosti plánujem tieto skrutky nahradiť nylonovými, ktoré stále poskytujú dostatočnú pevnosť pri oveľa nižšej hmotnosti. Elektroniku quadrokoptéry som rozdelil do dvoch logických prvkov - spodný silový okruh, ktorý je umiestnený v strede koptéru, bližšie k batérii a vrchný logický okruh obsahujúci riadiacu jednotku a rádiový prijímač. ESC som montoval z hornej strany nôh, zabezpečil som im tak dostatočnú cirkuláciu vzduchu od vrtúľ. O ich prepojenie s motormi sa starajú 3,5 mm bullet konektory, ktoré sú schopné prenášať potrebné prúdy. Do distribučnej dosky sú ESC napájané na pevno. Toto riešenie je bezpečnejšie a jednoduchšie ako použitie akéhokoľvek typu konektorov. V oblasti logických prvkov treba dbať na zamedzenie prenosu vibrácii do riadiacej jednotky. Ja som na tento účel použil kus lepiaceho molitanu zo starého WiFi routeru (pôvodne podopieral WiFi kartu v routri WL500GP). A ako druhé je treba niečím prekryť barometrický senzor. Na tento účel mi poslúžil vatový tampón a kus izolačnej pásky. Je totiž veľmi citlivý na prúdenie vzduchu, ktoré je potrebné pre jeho správnu funkčnosť eliminovať. Všetky diely okrem motorov sú ku kostre pripevnené sťahovacími páskami. Tie som zvolil, lebo sú lacné, ľahké a pevné a v pripade potreby ľahko odstrániteľné. 5.3 VZNIKNUTÉ PROBLÉMY Mohlo by sa zdať, že v prípade detailne premysleného návrhu, po strávení nespočetného množstva hodín pri výbere vhodných a kompatibilných komponentov, prebehne samotná konštrukcia hravo, opak je však pravdou. Počas montáže propelerov som narazil hneď na dva problémy. Prvým je fakt že ani drahé propelery sa nedodávajú perfektne vyvážené a druhým bola nekompatibilita adaptéra propeleru a osy motora.

56 Realizácia ADAPTÉR PROPELEROV K mnou vybraným propelerom bola dodaná súprava šiestich adaptérov - malých umelohmotných krúžkov, ktoré slúžia na centrovanie propeleru na oske motora. Toto centrovanie musí byť presné. Ako sme si už uviedli, je dôležité odstrániť všetky potenciálne zdroje vibrácií. Stáva sa ale, ako aj mne, že žiaden adaptér nie je kompatibilný s použitými motormi. V mojom prípade som mal šťastie v nešťastí a jeden z adaptérov bol oproti oske užší iba o 0,5 mm. Stačilo teda nasunúť adaptér do propelera, ten následne uchytiť do zveráku, a opatrne vrtákom dierku rozšíriť VLNENIE OBRAZU Dalším z problémov, na ktorom bolo potrebné zapracovať,bol takzvaný jello efekt snímaného videa. Tento problém je charakteristický pri použití kamier s CMOS senzorom, akou GoPro je. Spôsobujú ho vibrácie modelu, ktoré hýbu senzorom kamery a výsledný obraz potom pripomína pohľad na svet cez vodnú hladinu. Riešením je použitie tlmiaceho materiálu medzi kamerou a rámom quadrokoptery. Ja som na tieto účely jednoducho nalepil penové štuple do uší zo sluchátok Koss Spark Plug na spodok krabičky určenej pre kameru. Na trhu sú ale aj iné vhodné materiály, ako najvhodnejší sa zdá byť moongel, materiál na tlmenie blán na bubnoch. Podrobným porovnaním sa zaoberá Dennis Baldwin vo svojom videu. (Baldwin, 2013) Dalším z faktorov, ktorý ovplyvňuje vlnenie, je počet snímkov za sekundu záznamu. Pomocou pokusu som došiel k záveru, že záznam s vyšším FPS 24 redukuje tento problém. 5.4 KONFIGURÁCIA RIADIACEJ JEDNOTKY Pre oživenie kontroléru a jeho uvedenie do letuschopného letu som použil otvorený software - Mission planner. Keďže ArduFlyer komunikuje protokolom MAVlink, je možné použiť aj iný software, ktorý tento protokol využíva - napríklad multiplatformový QGroundControl. Vo vývoji, do ktorého sa v poslednej dobe zapájam, je aj port Mission planner-u na ios zariadenia. Cieľom tejto aplikácie má byť pohodlná konfigurácia koptéru v teréne a získavanie telemetrických údajov. Prvotné spojenie s riadiacou jednotkou prebieha pomocou USB kábla. Ako prvé je potrebné nainštalovať potrebný USB FTDI ovládač z Arduino stránok. Ďalším krokom je zvolenie správneho COM portu v aplikácii Mission Planner. V mojom prípade to bol port 3 a prenosová rýchlosť baudou. 24 FPS Frames per second, počet snímkov za sekundu

57 Realizácia 57 Po úspešnom spojení s jednotkou stačí na karte firmware zvoliť požadovaný firmware na nahratie a nahrať ho do kontroléru. Nechýba tu ani možnosť nahrať vlastný, upravený firmware. Obrázok 20: Nahratie firmware-u pomocou Mission planner-u Prvá záložka, ktoré sa po úspešnom nahratí firmware-u otvorí, je kalibrácia rádia. Kalibráciu rádia je vždy rozumné vykonávať s odpojenými motormi, alebo aspoň oddelenými propelermi, inak dokáže koptér nemilo prekvapiť. 25 V okne je treba nastaviť maximá a minimá PPM signálov pre jednotlivé kanály. Posunutím páčok na vysielači do maximálnych polôh sa hodnoty signálov zaznamenajú a stačí ich potom uložiť. Nechýba tu ani možnosť reverzu signálu, no odporúčaným riešením je nastaviť si správne vysielač pred konfiguráciou riadiacej jednotky. Ďalšou dôležitou kartou je karta s letovými režimami. Tu sa dajú na kanáli 5 nastaviť rôzne letové režimy. Pre začiatok odporúčam využívať hlavne mód stabilizuj, v ktorom je koptér najviac odolný voči nešikovnosti pilota. Posledná položka, ktorú je nutné pred prvým letom nakonfigurovať, sú snímače. Táto kalibrácia prebieha postupným preklápaním koptéru do strán a zaznamenávaním hodnôt zo senzorov. 25 Vlastná skúsenosť, keď sa mi quad pri prvom zapojení roztancoval po stole o 4tej ráno..

58 Realizácia LADENIE Hotový koptér sa síce dokázal odlepiť od zeme no o hladkom kontrolovanom lete sa ešte hovoriť nedalo. Bolo ho potrebné doladiť VYVAŽOVANIE PROPELEROV Jedným z ďalších problémov, ktorý mi propelery spôsobili, bolo, že boli nevyvážené. Spôsobovali neprimerané množstvo vibrácií, ktoré negatívne ovplyvňovali letové vlastnosti. Pri prvom teste som si myslel, že za to môže moja neodborná úprava adaptérov. Zobral som teda neupravený adaptér kúpený spolu s rezervnými vrtuľami a začal ho upravovať znovu, precíznejšie. Po nasadení ďalšej vrtule na motor sa ale problém opakoval, možno by sa dalo povedať, že až prehĺbil. Bolo mi teda jasné, že problém bude niekde inde. Rýchly prieskum Googlom mi napovedal, že tento problém je celkom bežný, a že skoro všetky propelery je potrebné pred osadením vyvážiť. Google v kombinácií s YouTube našťastie okrem popisu problému ponúka aj celkom široké spektrum riešení tohto problému, stačilo zadať prop balancing a hneď mi bolo jasné ako ďalej postupovať. Na vyváženie propeleru je potrebná "vyvažovačka". Tú je možné kúpiť v modelárskych potrebách ako celok alebo svojpomocne vyrobiť. Ja som zvolil kompromis, ktorý spočíval v kúpe osky na ručné vyvažovanie za 49 czk a jej následné nasadenie do podomácky vytvoreného stojanu. Na čeľuste zveráka som pripevnil dva kúsky chladičov na pamäte, vychádzal som z predpokladu, že majú styčné plochy precízne vyfrézované, aby sa na nich oska nezasekávala. Ďalším krokom bolo uchytenie osky do zveráka. Tu len dodám, že osku je potrebné dotiahnuť jemne a čo najviac vycentrovať, aby sa predišlo jej zaseknutiu. Výsledok funkčne vyzeral približne nasledovne: Obrázok 21: Vyrobený balancér vrtúľ

59 Realizácia 59 Vrtuľu som potom natočil do vodorovnej pozície a sledoval, ktorý list pôjde k zemi ako prvý, ten je pochopiteľne ťažší a treba z neho odstrániť prebytočný materiál. V tomto momente prišla na radu kolekcia šmirgľov, postupne som prešiel vrchnú 26 stranu najprv šmirgľom hrúbky 200, potom 600 a zakončil som to hrúbkou 1000, aby som docieli čo najhladší povrch. Bohužiaľ sa mi vibrácie nepodarilo odstrániť úplne, docielil som však oveľa lepší stav než pred úpravou. Do budúcna si zadovážim permanentné magnety, ktoré mi budú schopné osku centrovať samé ODSTRÁNENIE VIBRÁCIÍ MOTOROV Propelery ale nie sú jediným nevyváženým rotujúcim prvkom koptéru. Ďalšie vibrácie zvyknú spôsobovať samotné motory, aj keď nie až tak problematické ako vrtule. Keď som si už ale vyvážil vrtule, rozhodol som sa vyvážiť aj motory. Na vyváženie motorov sa dajú použiť dve metódy: 1. Vyvažovanie za pomoci vyvažovačky na tento spôsob by sa dala použiť vyvažovačka, ktorú som si zostrojil v predošlom kroku, tento postup ale zahŕňa rozoberanie motora, tak som od neho upustil. 2. Vyvažovanie pomocou merania vibrácii na tento postup je potrebné zariadenie, ktoré je schopné vibrácie merať. Na iphone ale aj na Android je dostupných veľa bezplatných seizmografických aplikácií. Keďže vlastním iphone, zvolil som túto metódu. 1. Motor som pripevnil na tvrdú drevenú dosku schopnú prenášať vibrácie. 2. Do telefónu som si stiahol aplikáciu seismograph. 3. Telefón so spustenou aplikáciu som položil na druhý koniec tejto podložky. 4. Zapojil som motor a roztočil ho do približne stredných otáčok (motor bez propeleru nie je rozumné roztáčať naplno, mohol by sa bez záťaže rýchlo prehriať). 5. V prípade, že som zaznamenal výrazný nárast vibrácií, bolo treba zistiť, ktoré miesto na tele motora treba zaťažiť. 6. Sťahovaciu pásku som pripevnil na telo motora a postupne posúval bod spojenia (je ťažší ako zbytok pásky) po obvode pokiaľ som nenašiel polohu, v ktorej boli vibrácie najmenšie. 7. Na nájdené miesto som nalepil pásik izolačnej pásky a v prípade potreby postup opakoval. 26 Šmirgľovať spodú stranu vrtule nie je dobrý nápad, ľahko sa tak dá negatívne ovplyvnit stúpanie vrtule.

60 Realizácia 60 Výsledok dopadol obdobne ako pri centrovaní vrtúľ, úplne sa mi vibrácie odstrániť nepodarilo, no dosiahol som lepší stav ako na počiatku. Pri opätovnej montáži motorov na rám koptéru som ich navyše podložil kúskom obojstranne lepiacej mäkkej pásky, tak sa mi podarilo utlmiť zvyškové vibrácie NASTAVENIE PID Dokonalé nastavenie PID 27 je beh na dlhú trať, hlavne pre neskúseného letca. Nakoniec sami ale podarilo koptér úspešne uviesť do letuschopného stavu. Stále je ale na môj vkus precitlivelý na príkazy z rádia. Ak chceme letové vlastnosti quadrokoptery presne vyadit pomocou nastavenia PID, je tak najlepsie urobiť počas letu. Tohto je možné docieliť dvoma spôsobmi: Použitím dvojcestnej telemetrie Použitím viackanálového radia V prípade že nedisponujeme zariadeniami potrebnými na aplikáciu ani jednej z týchto možností, sme odkázaný na pokusné ladenie cez káblové prepojenie. V mojom prípade som v čase odovzdávania tejto práce ešte nebol schopný ladiť PID regulátory počas letu. Moje rádio mi túto možnosť neponúka a objednaný bluetooth ostal zaseknutý niekde na ceste z čínskeho dealextreme.com. Obrázok 22: Konečná podoba koptéru 27 PID regulátor je jednoduchý lineárny proporcionálný, integračný a derivačný regulátor

61 Možnosti kompletnej automatizácie 61 6 MOŽNOSTI KOMPLETNEJ AUTOMATIZÁCIE Na to, aby bolo možné posúdiť možnosti plnej automatizácie zostavenej quadrokoptéry, si musíme najskôr určiť,čo sa pod týmto pojmom rozumie. Autonómny robot je robot (v našom prípade koptér), ktorý dokáže samostatne vykonávať zvolené úlohy v nenadefinovanom prostredí dlhšiu dobu, bez pričinenia človeka. Mnohé roboty sú autonómne v striktnom rozmedzí štruktúrovania prostredia, v ktorom sa nachádzajú a stupeň autonómie týchto robotov ako aj pohľad, z ktorého je robot autonómny, môže byť rôzny. Na niektoré roboty sú kladené vyššie nároky na autonómnosť, je to napríklad v prípade výskumných robotov určených na prieskum vesmíru, kde priame riadenie človekom nie je uskutočniteľné kvôli veľkým vzdialenostiam,a teda veľkému časovému omeškaniu riadiacich signálov. Aby bol robot považovaný za autonómny,musí mať určité vlastnosti, medzi ktorými sú: Aktívny zber a spracovávanie informácií o svojom okolí Schopnosť dlhodobo pracovať bez ľudskej intervencie Schopnosť presúvať sa v priestore Schopnosť vyhýbať sa situáciám, ktoré by viedli k poškodeniu človeka, majetku alebo samotného robota (Wikipedia contributors, 2013) Ak sa budeme opierať o uvedené štyri body, tak na zautonómnenie quadkoptéry stačí pridať ultrazvukový sonar, prípadne snímač optického toku a infračervený alebo laserový snímač. Quadrokoptéra tak bude zrazu spĺňať bod 1, aj bod 4. Bod 3 spĺňala od počiatku. V bode 2 je diskutabilá dlhodobosť. Na vyhodnocovanie informácí z týchto senzorov taktiež bude postačovať výkon použitej ATMegy. Platforma ArduPilot, na ktorej je postavená aj mnou konštruovaná quadkoptéra, priamo podporuje pripojenie niektorých z týchto senzorov. Menovite je to ultrazvukový sonar MAXBOTIX Max SONAR MB1240XL EZ4, ktorý funguje na vzdialenosť 7 m. Sonary sú ale vo všeobecnosti veľmi citlivé na vibrácie ako aj na elektromagnetické rušenie, a tak sa ich použitie neodporúča. Druhým priamo podporovaným senzorom je senzor optického toku. Týmto senzorom je možné do istej miery nahradiť laserový diaľkomer a používať ho tak nielen na udržiavanie presnej polohy, ale aj na vyhýbanie sa prekážkam. Dokazuje to vo svojej práci remote terrain navigation for unmanned air vehicles Stephen Richard Griffiths. (Griffiths, 2006)

62 Možnosti kompletnej automatizácie 62 V prípade automatizácie quadkoptéry je potrebné definovať požadované činnosťi, a síce, či si vystačíme s pohybom na otvorenom priestranstve, alebo sa mienime pohybovať aj v budovách. Otvorené priestranstvo na tieto účely nám postačí pridať GPS modul. Najčastejšie využívaným GPS modulom pre UAV modely je NEO-6 od firmy ublox. Ponúka širokú škálu komunikačních rozhraní a dostatočnú presnosť za nízku cenu 28. Uzatvorené priestory v tomto prípade sa celá situácia výrazne komplikuje. Predpokladajme, že quadrokoptéra nemá dostupné stavebné plány budovy. Musíme preto implementovať senzor zachytávajúuci obraz vhodný na analýzu, rovako ako aj zvýšiť výpočetný výkon pridaním jednotky, ktorá túto analýzu bude vykonávať v reálnom čase. Na tieto účely je ako stvorené Raspberry PI. Problém navigácie quadrokoptéry v uzavretých priestranstvách riešila v roku 2010 skupina vedcov z pensylvánskej univerzity za pomoci kamery a laserového scaneru. (Shen, 2010) V dnešnej dobe a hlavne po nedávnom uvedení 5 megapixelového kamerového modulu pre Raspbery pi sa ukazuje riešenie založené na tejto platforme ako najvhodnešie. Raspberry má dostatočný výkon na spracovanie jednoduchého obrazového vstupu v reálnom čase. Je možné ho potom v kombináci s OpenCV knižnicami použiť napríklad na navigáciu po QR kódoch. Dokazuje to aj projekt PiQuopter. (kayak0806, 2012) Dalšia možnosť využitia kobinácie Raspberry pi a quadrokoptéry by bola v kombinácií s Kinectom od Microsoftu. Touto kombináciou by bolo možné napríklad vytvárať mapy, podobne ako za použitia laserového senzoru. 28 Z číny je ho možné zakúpiť za ~30 USD

63 Záver 63 7 ZÁVER Cieľom diplomovej práce bolo navrhnúť vlastný quadrokoptér a tento návrh implementovať. Pritom sa oboznámiť s problematikou multikoptér s dôrazom na možnosti prenosu obrazovej informácie. Napriek tomu, že táto odborná problematika bola pre mňa úplne nová, sa mi tento cieľ podarilo naplniť. Dôkazom je aj samotný letu schopný koptér. Práca zhŕňa potrebné informácie na zostrojenie plnne funkčnej quadrokoptéry. Prínosná je hlavne pre nováčikov v tejto oblasti,ktorí by tak nemali mať problém do problematiky preniknúť. Naviac je postavená na otvorených technológiách, čo výrazne zjednodušuje jej ďalší rozvoj. Stavba vlastného quadrokoptéru je teda určite zaujímavý projekt, ktorý môžem odporučiť každému kutilovi. V prípade, že niekto chcel začať rýchlo lietať a má dostatok finančných zdrojov, má možnosť investovať do komerčného riešenia. No osobne oveľa viac odporúčam ísť cestu vlastnej stavby. Je ale potrebné byť pripravený na to, že takáto konštrukcia nie je bezproblémová. Myslím, že v prípadne nasledovania mojej práce by nemal byť problém zostrojiť letuschopnú quadkoptéru v priebehu týždňa. Ako najproblematickejšie sa ukázalo zhmotnenie samotného rámu koptéru. Nikdy predtým som totižto nemodeloval niečo natoľko funkčné. Svoju rolu zohrali aj obmedzenia použitej tlačiarne. Dalším problémom bolo samotné ovládanie quadkoptéry, či už pokus s gamepadom, alebo zvykanie si na modelárske rádio. To ale bolo spôsobené hlavne mojou neznalosťou RC modelov. Naučil som sa pri tom veľmi veľa a hlavne sa mi v hlave otvorili úplne nové obzory myslenia. Hlavnú výhodu vlastného otvoreného riešenia stále vidím v možnostiach rozšírení a úprav. Dúfam, že moja práca poslúži ako odrazový mostík ďalšiemu študentovi a bude ju ďalej rozvíjať hlavne smerom k samostatnej orientácií v 3D priestore. 7.1 PRIESTOR PRE ZLEPŠENIE Za problémy, na ktoré by sa bolo dobré zamerať, považujem najmä presnejší návrh rámu koptéru, simuláciu nárazov a jeho následné vyladenie v programe Solidworks, s ktorým ale zatiaľ skúsenosti nemám. Ako ďalšie rozšírenie by som videl možnosť prepojenia s jedným z mnohých micro počítačov, čo by umožnilo vykonávať zložitejšie výpočty priamo v koptére. Osobne by som si zvolil Raspberry Pi model A, v kombinácii s kamerovým modulom a pokúsil sa vyladiť navigáciu pomocou rozoznávania obrazu. Veľmi zaujímavá by bola napríklad možnosť lietania v budove, sledovaním QR kódov na stenách.

64 Záver MOJE ĎALŠIE PLÁNY S QUADROKOPTÉROM Quadrokoptéra sa preukázala ako schopné univerzálne riešenie problematiky. Počas konštrukcie som zistil, že je vhodnejšie mať viacero dedikovaných zariadení na rôzne účely. Zvažujem vymeniť celú konštrukciu za konštrukciu s použitím šiestich rotorov. Na prieskum sú síce quadrokoptéry dostatočné, ale kvalita obrazového záznamu z malých kamier nemusí byť vždy vyhovujúca. Dobre dimenzovaný quadrokoptér síce nemá problém prepravovať ani ťažší náklad a pripojiť DLSR fotoaparát je možné, no hexakoptér ponúka v tomto smere vyššiu stabilitu. To sa hodí najmä pri zázname videa. Hexakoptér je schopný túto, spravidla drahú, video výbavu zachrániť aj v prípade poruchy motora, rotora alebo ESC. Quadrokoptéry ale nezavrhujem. Depo by som si rád doplnil o malý akrobatický quadrokoptér. V každom prípade vážne plánujem redizajnovať gimbal na GoPro z pasívneho na aktívny a môcť tak riadiť náklon kamery za letu. Tak isto bude možné tento prídavok nakonfigurovať tak, aby kompenzoval prudké výkyvy koptéru vo vetre a získať tak oveľa čistejší záznam. Jedna z vecí, čo ma skôr či neskôr obmedzia, je 6 kanálové rádio. Už mám vyhliadnutého vhodného kandidáta - vysielač Turnigy T9x, do ktoré sa dá nahrať otvorený firmware. Na internete sú dostupné aj návody na hardwarové úpravy umožňujúce napríklad zobrazovanie telemetrie na display rádia.

65 Bibliografia 65 8 BIBLIOGRAFIA Baldwin, Dennis Vibration Dampening Materials Comparison Revisited for Quadcopter FPV & Aerial Camera Setups. Youtube.com. [Online] Basics Bluetooth Technology Website. Bluetooth.com. [Online] Britt Odd Copter. HobbyKing KK2.0 Flight Control Board. [Online] Brushed vs Brushless Motors. ThinkRC.com Remote Control Helicopters. [Online] [Dátum: ] Büchi, Roland Brushless Motors and Controllers. s.l. : Books On Demand, Fascination Quadrocopter. s.l. : Books On Demand, DiCesare, Antonio, Gustafson, Kyle a Lindenfelzer, Paul Design Optimization of a Quad-Rotor Capable of Autonomous Flight. Worchester : Worchester polytechnic institute, Electric Flight in Australia. What does KV mean? Electric Flight in Australia. [Online] [Dátum: ] Everett, H. R Sensors for Mobile Robots. s.l. : A K Peters Ltd, Flynn, Anita, Seiger, Bruce a Jones, Joseph Mobile Robots: Inspiration to Implementation. s.l. : A K Peters/CRC Press, FyreSG Understanding KV and picking the right motors for your Multirotor build. TEAM.daddyHOBBY forum. [Online] Gábrlík, P Quadrocopter - stabilizace a regulace. Brno : Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Gaurav a Rahul Oracle Thinkquest. Flight: Yaw, Pitch, and Roll. [Online] mbobpypr.htm. Griffiths, Stephen Richard REMOTE TERRAIN NAVIGATION FOR UNMANNED AIR VEHICLES. Brigham : Department of Mechanical Engineering Brigham Young University, Jameson Potrebná výbava pre FPV. FPV Slovakia. [Online]

66 Bibliografia 66 Jespersen, Thomas Quadcopters how to get started. TKJ Electronics. [Online] kayak Autonomous, Cardboard, Rasberry Pi Controlled QuadCopter. Instructables. [Online] Controlled-Quad/?ALLSTEPS. Kim, Jonghyuk a Brambley, Galen Dual Optic-flow Integrated Navigation for Small-scale Flying Robots. [Online] Multicopter Types. MultiWii. [Online] 3 10, Nitroplanes Beginners Guide: How to choose ESC. Youtube.com. [Online] Novák, Petr Automa. Ultrazvukové sonary. [Online] Pilný, Roman OSD. RC - Eagle Eye. [Online] Reid, John RC Electric Set-up; Back to Basics. Model Airplane News - Electronic Flight. [Online] Sciarappa, Jeremy How to stream GoPro HERO3 video over WiFi to PC. MotherLOADED. [Online] Shen, Shaojie utonomous Aerial Navigation in Confined Indoor Environments. Youtube.com. [Online] Šmíd, David Netrpělivě očekávaná ATmega2560 nyní ihned k dispozici. HW.cz. [Online] Štrauch, Adam Stavíme kvadrokoptéru s Raspberry Pi a Arduino Nano. Root.cz. [Online] Tyson, Jeff. How Radio Controlled Toys Work. HowStuffWorks? [Online] [Dátum: ] Valenta, Pavel Ovládání RC modelu pomocí Wi-Fi. Praha : České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra počítačů, 2011.

67 Bibliografia 67 VOMOČIL, J Quadrocopter - řídicí jednotka a komunikace. Brno : Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Wikipedia contributors Autonomous robot. Wikipedia, The Free Encyclopedia. [Online] Globálny lokalizačný systém. Wikipedia, The Free Encyclopedia. [Online] %C3%A9m Quadrotor. Wikipedia, The Free Encyclopedia. [Online] 2013 йил Telemetry. Wikipedia, The Free Encyclopedia. [Online] Wilson, Matt GoPro WiFi BacPac Range Test on Motard at Ruapuna Speedway. Youtube.com. [Online] Windestål, David FPV Starting guide. RCExplorer. [Online]

68 PRÍLOHY

69 Schéma APM 2,5 69 A SCHÉMA APM 2,5

70 Schéma APM 2,5 70

71 Schéma APM 2,5 71

72 Výpočty z ecalc 72 B VÝPOČTY Z ECALC B.1 10X3.8

73 Výpočty z ecalc 73 B.2 10X4.7

74 Výpočty z ecalc 74 B.3 10X60

75 Výpočty z ecalc 75 B.4 11X3.8

76 Výpočty z ecalc 76 B.5 11X4.7

77 Výpočty z ecalc 77 B.6 11X6.0

78 Výpočty z ecalc 78 B.7 12X3.8

79 Výpočty z ecalc 79 B.8 12X4.7

80 Výpočty z ecalc 80 B.9 12X6

81 Výpočty z ecalc 81 B.10 9X6-4S

82 Výpočty z ecalc 82 B.11 12X6-2S

83 Fotografie z konštrukcie koptéru 83 C FOTOGRAFIE Z KONŠTRUKCIE KOPTÉRU Obrázok 23: Príchod dielov z hobbykingu Obrázok 24: Tlač rámu na našej tlačiarni typu Prusa-Mendel

84 Fotografie z konštrukcie koptéru 84 Obrázok 25: Konštrukcia koptéru Obrázok 26: Hotový koptér aj s esky transmiterom